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技術 インバ−タの制御方法及びインバ−タ装置

出願人 サンケン電気株式会社
発明者 舩倉清一
出願日 1997年9月10日 (22年9ヶ月経過) 出願番号 1997-264899
公開日 1999年3月30日 (21年3ヶ月経過) 公開番号 1999-089237
状態 特許登録済
技術分野 インバータ装置 電力変換一般
主要キーワード 補正指令信号 リップル検出 制御信号作成回路 周波数補正信号 リップル抑制 補正周波数 負荷慣性 周波数補正量
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

インバータ交流電動機を駆動する時に不安定な出力電流が流れることがある。

解決手段

変換回路2から電動機3に流れる電流実効値を検出手段8で検出する。実効値のリツプル成分を検出する。周波数指令発生器7の周波数を実効値のリツプル成分に基づいて補正する。補正された周波数指令で変換回路2の出力周波数を決定する。

概要

背景

負荷としての交流電動機電力を供給するために可変周波数及び可変電圧型のインバータが使用される。

概要

インバータで交流電動機を駆動する時に不安定な出力電流が流れることがある。

変換回路2から電動機3に流れる電流実効値を検出手段8で検出する。実効値のリツプル成分を検出する。周波数指令発生器7の周波数を実効値のリツプル成分に基づいて補正する。補正された周波数指令で変換回路2の出力周波数を決定する。

目的

そこで、本発明の目的はインバータの出力電流の安定化を図ることができる方法及び装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

直流交流に変換するための可変周波数及び可変電圧インバータによって負荷電力を供給する際に、前記インバータの出力電流実効値又は平均値を検出し、前記実効値又は平均値のリップル成分を求め、前記リツプル成分に基づいてこのリツプル成分が低減するように前記インバータの出力電圧周波数を制御することを特徴とするインバータの制御方法

請求項2

直流を交流に変換するための可変周波数及び可変電圧型インバータによって負荷に電力を供給する際に、前記インバータの出力電流の実効値又は平均値を検出し、前記実効値又は平均値のリップル成分を求め、前記負荷の力率を求め、前記リツプル成分と前記力率に基づいて、前記リツプル成分に対して比例的に変化し、前記力率に対して反比例的に変化する周波数補正信号を作成し、前記補正信号に基づいて前記リツプル成分が低減するように前記インバータの出力電圧の周波数を制御することを特徴とするインバータの制御方法。

請求項3

直流を交流に変換するための可変周波数及び可変電圧型インバータによって負荷に電力を供給する際に、前記インバータの出力電流の実効値又は平均値を検出し、前記実効値又は平均値のリップル成分を求め、前記実効値又は平均値の直流成分を求め、前記リツプル成分と前記直流成分とに基づいて前記リツプル成分に対して比例的に変化し、前記直流成分に対して反比例的に変化する周波数補正信号を作成し、前記周波数補正信号に基づいて前記リツプル成分が低減するように前記インバータの出力電圧の周波数を制御することを特徴とするインバータの制御方法。

請求項4

直流を交流に変換し、負荷に交流電力を供給するための可変周波数及び可変電圧型インバータであって、前記インバータの出力電圧の周波数を指令するための周波数指令発生手段と、前記インバータの出力電流の実効値又は平均値を求める電流検出手段と、前記実効値又は平均値のリツプル成分を求める手段と、前記周波数指令発生手段から発生した周波数指令で示されている周波数を、前記リツプル成分を低減させるように前記リツプル成分に基づいて補正した補正周波数指令を作成する補正周波数指令作成手段と、前記補正周波数指令に対応した出力周波数が得られるように前記インバータの変換回路を制御する回路とを備えていることを特徴とするインバータ。

請求項5

直流を交流に変換し、負荷に交流電力を供給するための可変周波数及び可変電圧型インバータであって、前記インバータの出力電圧の周波数を指令するための周波数指令発生手段と、前記インバータの出力電流の実効値又は平均値を求める電流検出手段と、前記実効値又は平均値のリツプル成分を求める手段と、前記負荷の力率を検出するための力率検出手段と、前記リツプル成分と前記力率とに基づいて、前記リツプル成分に対して比例的に変化し、前記力率に対して反比例的に変化する周波数補正信号を作成する周波数補正信号作成手段と、前記周波数指令発生手段から発生した周波数指令で示されている周波数を、前記リツプル成分を低減させるように前記周波数補正信号で補正して補正周波数指令を作成する補正周波数指令作成手段と、前記補正周波数指令に対応した出力周波数が得られるように前記インバータの変換回路を制御する回路とを備えていることを特徴とするインバータ。

請求項6

直流を交流に変換し、負荷に交流電力を供給するための可変周波数及び可変電圧型インバータであって、前記インバータの出力電圧の周波数を指令するための周波数指令発生手段と、前記インバータの出力電流の実効値又は平均値を求める電流検出手段と、前記実効値又は平均値のリツプル成分を求める手段と、前記実効値又は平均値の直流成分を求める手段と、前記リツプル成分と前記直流成分に基づいて、前記リツプル成分に対して比例的に変化し、前記直流成分に対して反比例的に変化する周波数補正信号を作成する周波数補正信号作成手段と、前記周波数指令発生手段から発生した周波数指令で示されている周波数を、前記リツプル成分を低減させるように前記周波数補正信号で補正して補正周波数指令を作成する補正周波数指令作成手段と、前記補正周波数指令に対応した出力周波数が得られるように前記インバータの変換回路を制御する回路とを備えていることを特徴とするインバータ。

技術分野

(5)リップル検出手段23から図7(B)に示すように0レベルを中心にして正負リップル成分を得て、正側(一方の側)のリップル成分の時に正の周波数補正信号加算手段22に供給し、負側(他方の側)のリップル成分の時に負の周波数補正信号を加算手段22に供給することができる。この場合には、周波数図6のf1 を中心にしてf0 及びf2 に変化することになる。

背景技術

0001

本発明は、交流電動機等の負荷交流電力を供給するための可変周波数及び可変電圧インバータ及びその制御方法に関する。

発明が解決しようとする課題

0002

負荷としての交流電動機に電力を供給するために可変周波数及び可変電圧型のインバータが使用される。

0003

ところで、インバータで電動機を駆動する場合、負荷としての電動機の特性、インバータの特性等に起因してインバータの出力電流が不安定になることがある。図83相インバータの2相分の不安定な出力電流の波形を示し、図9はほぼ正常な出力電流の波形を示す。図8図9との比較から明らかなように、不安定電流成分は、基本波周期以外の周期で流れる大振幅電流成分即ち過電流成分である。このインバータ出力電流不安定化を防ぐために、出力電流の実効値を求め、この実効値に含まれているリツプル成分を抽出し、このリツプル成分を除去するようにインバータの出力を制御することが考えられる。しかし、この方法によっても電流の安定化を図ることができないことがある。

課題を解決するための手段

0004

そこで、本発明の目的はインバータの出力電流の安定化を図ることができる方法及び装置を提供することにある。

発明の効果

0005

上記課題を解決し、上記目的を達成するための方法の発明は、直流交流に変換するための可変周波数及び可変電圧型インバータによって負荷に電力を供給する際に、前記インバータの出力電流の実効値又は平均値を検出し、前記実効値又は平均値のリップル成分を求め、前記リツプル成分に基づいてこのリツプル成分が低減するように前記インバータの出力電圧の周波数を制御することを特徴とするインバータの制御方法に係わるものである。また、装置の発明は、直流を交流に変換し、負荷に交流電力を供給するための可変周波数及び可変電圧型インバータであって、前記インバータの出力電圧の周波数を指令するための周波数指令発生手段と、前記インバータの出力電流の実効値又は平均値を求める電流検出手段と、前記実効値又は平均値のリツプル成分を求める手段と、前記周波数指令発生手段から発生した周波数指令で示されている周波数を、前記リツプル成分を低減させるように前記リツプル成分に基づいて補正した補正周波数指令を作成する補正周波数指令作成手段と、前記補正周波数指令に対応した出力周波数が得られるように前記インバータの変換回路を制御する回路とを備えていることを特徴とするインバータに係わるものである。なお、請求項2及び5に示すように力率を考慮してリツプル成分を補正することが望ましい。また、請求項3及び6に示すようにインバータ出力電流の実効値の直流成分を考慮してリツプル成分を補正することが望ましい。

0006

各請求項の発明において、出力電流の実効値又は平均値のリツプル成分は、出力電流を不安定にする電流成分に対応しているので、実効値又は平均値のリップルを低減させると、出力電流を不安定にする電流成分も低減する。出力電流が不安定になる理由は必ずしも明らかでないが、図8から明らかなようにインバータ出力電流の不安定成分(過電流成分)は周期性を有して発生しているので、インバータと負荷とから成る回路の共振現象関与しているものと思われる。本発明に従ってインバータの出力周波数を変えると、実効値又は平均値のリツプル成分が低減し、不安定成分が低減するのは、共振が抑制されるためと思われる。出力電流の不安定成分は過電流成分であるので、これを抑制することにより過電流が抑制された安定した電流供給が可能になる。また、請求項2、3、5、6の発明によれば、力率又は電流値を考慮した合理的なリップル低減が可能になる。即ち、出力電流の実効値又は平均値のリツプル成分の検出値は、力率又は電流が大きいほど大きくなる。換言すると、出力電流の力率又は電流が大きい時には、正常電流成分に対するリツプル成分の比率が低い場合であっても、リツプル成分が大きくなる。大きなリツプル成分を周波数補正にそのまま使用すると、周波数の変化量が大きくなり過ぎて出力電流の安定化が困難又は不可能になる場合がある。そこで、請求項2、3、5、6の発明においては、リツプル成分が力率又は電流値に対して反比例的に変化するような補正リツプル成分を作成し、これに基づいて出力周波数を補正している。これにより、実効値又は平均値のリツプル成分を合理的に低減させることができる。

0007

次に図面を参照して本発明の実施形態及び実施例を説明する。

0008

図1図10は、第1の実施例の可変周波数及び可変電圧のPWMインバータを説明するためのものである。図1インバータ装置は、直流電源1の直流電圧をDC−AC変換回路2によって交流に変換して負荷としての3相誘導電動機3を駆動するように構成されている。

0009

変換回路2は、トランジスタから成る第1〜第6のスイッチQ1 〜Q6 を3相ブリッジ接続し、各スイッチQ1 〜Q6 に並列ダイオードD1 〜D6 を接続した周知の回路である。変換回路2の3相出力ライン4a、4b、4cには電流検出手段としての電流検出器5a、5b、5cが電磁結合又は磁気結合されている。電流検出器5a、5b、5cは変流器又はホール素子等で構成することができる。実施例では3個の電流検出器5a、5b、5cが設けられているが、任意の2相の電流を検出し、残りの相の電流を演算で求めることもできる。

0010

各スイッチQ1 〜Q6 の制御端子ベース)に接続された制御信号作成回路6は、変換回路2を動作させるための制御信号を形成する。この制御信号作成回路6の詳細は追って説明する。

0011

周波数指令発生器7はインバータ出力周波数指令信号を発生するものである。

0012

電流検出器5a、5b、5cに接続されている実効値検出手段8は、出力電流の実効値を求める回路である。

0013

周波数指令補正手段9は周波数指令発生器7から発生した周波数指令を実効値検出手段で検出された電流に基づいて補正して補正周波数指令を作り、これを制御信号作成回路6に送るものである。この周波数指令補正手段9の詳細は追って説明する。なお、図3では制御信号作成回路6、実効値検出手段8及び周波数指令補正手段9が個別に示されているが、これ等の多くの部分はディジタル信号処理回路即ちマイクロプロセッサマイコン)で構成されている。

0014

図2は制御信号作成回路6を等価的に示すものであり、第1相、第2相及び第3相制御信号作成回路6a、6b、6cと分配回路10とから成る。第1相制御信号作成回路6aは、正弦波信号発生手段11と三角波信号発生手段12と、コンパレータ13とから成る。第2相及び第3相制御信号作成回路6b、6cは、第1相制御信号作成回路6aと実質的に同一に構成されている。但し、第2相及び第3相制御信号作成回路6b、6cにおける第1相制御信号作成回路6aの正弦波信号発生手段11に相当するものは第1相の正弦波に対して120度及び240度の位相差を有する正弦波信号を発生する。また、第2相及び第3相制御信号作成回路6b、6cにおいては三角波信号発生手段12に相当するものが省略されており、第1相の三角波信号発生手段12が兼用されている。勿論、第2相及び第3相制御信号作成回路6b、6cにも独立に三角波信号発生手段を設け、これを第1相の三角波信号発生手段12に同期させることができる。また、第2相及び第3相制御信号作成回路6b、6cに独立に正弦波信号発生手段を設ける代りに、第1相の正弦波信号発生手段11から発生させた正弦波に対して遅延手段によって120度及び240度の遅れを与えて第2相及び第3相の正弦波を得ることができる。

0015

正弦波信号発生手段11は変換回路2をインバータ動作させる時に図4(A)に示す正弦波Vacを発生する。この正弦波Vacは例えばROM(リードオンリー・メモリ)に格納された正弦波データ読み出しによって得る。正弦波信号発生手段11は図6に示すように周波数の変化に応じて電圧(振幅)を変えるように構成されている。第2相及び第3相制御信号作成回路6b、6cの正弦波は図4(A)の正弦波Vacに対して120度及び240度の遅れを有するものである。従って、第1相、第2相及び第3相の正弦波は図5に示すインバータの基準相電圧Vu 、Vv 、Vw に対応したものになる。

0016

三角波信号発生手段12は変換回路2の正弦波Vacの周波数よりも十分に高い繰り返し周波数で三角波信号Vt を図4に示すように発生する。コンパレータ13は正弦波信号発生手段11の正弦波Vacと三角波信号発生手段12の三角波信号Vt とを比較して図4(B)に示すPWMパルスを出力する。コンパレータ13がディジタル比較手段の場合にはこの出力段にディジタル・アナログ変換器を設ける。また、コンパレータ13がアナログ電圧比較器の場合には、両方の入力ラインにディジタル・アナログ変換器を設ける。

0017

分配回路10は、第1、第2、第3相制御信号作成回路6a、6b、6cの出力パルスを変換回路2のスイッチQ1 〜Q6 に分配する。詳細には、第1相制御信号作成回路6aのPWMパルスを図5(B)(C)に示すように第1及び第2のスイッチQ、Q2 に分配し、第2相制御信号作成回路6bのPWMパルスを図5(D)(E)に示すように第3及び第4のスイッチQ3 、Q4 に分配し、第3相制御信号作成回路6cのPWMパルスを図5(F)(G)に示すように第5及び第6のスイッチQ5 、Q6 に分配する。

0018

図3図1の実効値検出手段8と周波数指令補正手段9との一相分を等価的に示すものである。実効値検出手段8は例えば図1の電流検出器5aに接続されたアナログ・ディジタル(A/D)変換器20と実効値演算手段21とから成り、図1の変換回路2の出力電流即ち電動機3の入力電流の実効値を変換回路2の出力電圧の基本波の周期毎に出力する。

0019

周波数指令補正手段9は、図1の周波数指令発生器7の出力ライン7aに送出された出力周波数指令補正用加算手段22で補正して補正周波数指令を形成し、これを出力ライン9aによって図1の制御信号作成回路6に送るものである。加算手段22に周波数補正信号を与えるために、リップル検出手段23、定数乗算手段24、出力電圧演算手段25、力率演算手段26、力率基準値発生手段27、減算手段28、リミッタ手段29、及び乗算手段30が設けられている。

0020

変換回路2の出力電流に不安定成分が含まれている場合には、基本波の複数周期において実効値が一定にならず、実効値演算手段21の出力は、図7(A)にアナログ類推で示すように変動し、直流成分Id とリツプル成分Ir との合成波形になる。リツプル成分Ir は出力電流の不安定成分に基づいて発生する。図3の周波数指令補正手段9のリップル検出手段23は図7(A)の実効値の波形から図7(B)に示すようにリツプル成分Ir を検出する。なお、リツプル成分Ir はこの最大振幅Ia とする。リップル検出手段23から得られたリツプル成分には、定数乗算手段24においてゲインを調整するために所定の定数が乗算される。乗算手段30は定数乗算手段24から出力されたゲイン調整後のリツプル成分を補正して力率に基づいて周波数補正信号を作成する。周波数補正信号作成手段としての乗算手段30においては、リツプル成分に対して比例的に変化し、力率に対して反比例する周波数補正信号が作成される。

0021

出力電圧演算手段25は、ライン7aの出力周波数指令に基づいて変換回路2の出力電圧を演算で求めるものであり、図2正弦波発生手段11の出力に相当する電圧を発生する。力率演算手段26は、出力電圧演算手段25から得られた出力電圧とA/D変換器20から得られた出力電流とに基づいて負荷としての電動機3の力率を求めるものである。力率基準値発生手段27は力率基準値(例えば1)を発生する。減算手段28は力率基準値から力率を減算して偏差信号を形成し、これを補正信号として出力するものである。力率cos θは1よりも小さいので、力率基準値を1又はこの近くの値に設定すると、補正信号(偏差信号)は力率に反比例的に変化する。リミッタ手段29は減算手段28から得られた補正信号を所定のリミッタ値以下に制限するものである。従って、このリミッタ手段29からはリミッタ値以下に制限された補正信号が乗算手段30に送られる。乗算手段30において、リツプル成分に対して力率に基づく補正信号が乗算され、周波数補正信号が得られ、これが補正周波数指令作成手段としての加算手段22に入力する。力率に基づく補正信号(偏差信号)は力率が小さいほど大きい値を有し、力率が大きいほど小さい値になる。従って、力率が1又はこれに近い値の時にリツプル成分が大きくても周波数補正量はさほど大きくならない。

0022

図6の周波数f1 、f2 、f3 及び電圧V1 、V2 、V3 はリップル補正を原理的に示すものである。ライン7aに周波数f0 の指令が発生している状態で、出力電流のリツプル成分が検出された時には、このリツプル成分の大きさ及び力率を考慮してΔf1 又はΔf2 の補正指令信号が形成され、加算手段22においてf0 +Δf1 =f1 又はf0 +Δf2 =f2 の補正周波数指令が作成され、図1の制御信号作成回路6に送られる。変換回路2の出力周波数がf0 からf1 又はf2 に僅かに変えられると、例えば変換回路2と電動機3とから成る回路に含まれている共振回路の共振が抑制され、不安定電流成分及びリツプル成分が抑制される。制御信号作成回路6においては出力周波数fの変化に応じて出力電圧が変化するように構成されているので、出力電圧はV0 からV1 又はV2 に変化する。なお、出力周波数をf0 からf1 又はf2 に変化させても出力電圧をf0 の時と同一のV0 に保つこともできる。

0023

図8は本発明に従うリップル抑制を行わない時の変換回路2の出力電流を示し、図9は本発明に従うリップル抑制を行った時の変換回路2の出力電流を2相分のみ示す。なお、図8及び図9の波形は、指令周波数が5Hz、電動機3が無負荷負荷慣性0の状態のものである。図8図9の比較から明らかなようにリツプル成分が発生した時に指令周波数を少し変化させると、リップルが抑制される。電動機3が負荷トルクを有する場合においても無負荷トルクの場合と同様に出力電流のリップルが抑制される。

0024

次に、図10を参照して第2の実施例のインバータを説明する。但し、第2の実施例のインバータは図1及び図3の周波数指令補正手段9を図10の周波数指令補正手段9′に変形した他は第1の実施例と同一であるので、図10において図3と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。また、周波数指令補正手段9′以外の構成及び動作波形図1図9を参照する。

0025

図10では乗算手段30に電流に基づく補正信号が供給されている。即ち、直流成分検出手段40と電流基準値発生手段41と減算手段42とが設けられ、これによって補正信号が作成されている。直流成分検出手段40は実効値演算手段21から得られる図7(A)に示す波形の直流成分Id に相当するものを検出する。電流基準値発生手段41は、例えば発生する可能性のある実効値の最大直流成分に相当する電流基準値Ic を発生する。減算手段42は電流基準値Ic から検出直流成分Id を減算してIc −Id から成る補正信号を作成する。なお、減算手段42の出力段に除算手段を付加して(Ic −Id )/Ic を求め、これを補正信号とすることもできる。また、図3のリミッタ手段29に相当するものを設け、補正信号を制限することもできる。減算手段42の出力は周波数補正信号作成手段としての乗算器30に入力する。乗算器30からはリツプル成分に対して比例的に変化し、直流成分に対して反比例的に変化する周波数補正信号が得られ、加算手段22に送られる。

0026

出力電流が大きくなると、リツプル成分の出力電流に対する割合が小さい場合であってもリツプル成分Ir の最大値Ia が大きくなり、図10の加算手段22に必要以上に大きい周波数補正信号が与えられる恐れがある。しかし、図10では周波数補正信号が直流成分に反比例的に変化するので、リツプル成分による過大な周波数補正が制限される。従って、第2の実施例によれば、第1の実施例よりも合理的に出力電流の不安定成分を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0027

本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
(1)リツプル成分の補正を力率又は電流で行う代りに変換回路2の出力電力に反比例的に変化するリツプル成分を補正してもよい。また、力率と電流と電力とのいずれか2つ以上の組み合せでリツプル成分を補正してもよい。また負荷としての電動機3の状態に関係づけて補正信号を作成することができる。
(2) 変換回路2のスイッチQ1 〜Q6 をベクトルで制御する方式即ち周知のベクトル制御インバータにも本発明を適用することができる。
(3)制御信号作成回路6、実効値検出手段8、周波数指令補正手段9をディジタル回路で形成する代りに、アナログ回路で形成することができる。
(4) 第1及び第2の実施例では、加算手段22によってライン7aの出力周波数指令に乗算手段30から得られた周波数補正信号を加算しているが、加算手段22の代りに減算手段を設け、出力周波数指令から周波数補正信号を減算して補正周波数指令を作成することができる。

--

0028

図1本発明の第1の実施例の電動機を駆動するためのインバータを示す回路図である。
図2図1の制御信号作成回路を詳しく示すブロック図である。
図3図1の周波数指令補正手段を等価的に詳しく示すブロック図である。
図4図2の各部の状態を示す波形図である。
図5図1の各部の状態を示す波形図である。
図6出力周波数と出力電圧との関係を示す図である。
図7実効値とリップルを示す波形図である。
図8不安定な出力電流を示す波形図である。
図9安定な出力電流を示す波形図である。
図10第2の実施例の周波数指令補正手段を示すブロック図である。

0029

2 DC−AC変換回路
3交流電動機
5a、5b、5c電流検出器
7周波数指令発生器
8実効値検出手段
9 周波数指令補正手段

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