JP2005318754A - 電動機駆動用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧型インバータを構成するスイッチング素子の全てをＯＦＦ状態に制御している場合に、平滑コンデンサが過充電され端子電圧が上昇するのを抑制すること。
【解決手段】交流電圧を整流する整流器２と、整流器２が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電動機５に印加する交流電圧に変換する電圧型インバータ４とを備える電動機駆動用インバータ装置において、電圧型インバータ４を構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧が閾値電圧よりも高くなったとき、電動機５に電流を流すように電圧型インバータ４を構成する半導体スイッチング素子にスイッチング動作を行わせる制御手段を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電動機駆動用インバータ装置に関するものである。

図８は、従来の電動機駆動用インバータ装置の構成例を示す図である。図８に示すように、従来の電動機駆動用インバータ装置は、交流電源１の出力交流電圧を整流する整流器２と、整流器２の出力直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に現れる直流電圧をスイッチングして交流電圧を電動機５に印加する電圧型インバータ４とによる基本構成において、電圧型インバータ４を制御する構成として、電動機５の起動指令や、停止指令、回転速度指令などの運転指令を設定する運転指令設定器９と、運転指令設定器９にて設定された運転指令通りに電動機５を駆動するゲート信号を生成するゲート信号生成回路２０と、ゲート信号生成回路２０にて生成されたゲート信号によって電圧型インバータ４を構成するスイッチング素子のゲート電極に対応する電圧を印加するゲート駆動回路１３とを備えている。

この種の電動機駆動用インバータ装置では、例えば図９に示すように、並列に回生コンバータが接続される場合が多い。以下、図９を参照して説明する。図９において、回生コンバータ５０は、例えば、特許文献１に開示されているように、交流電源１の出力端（Ａ点）に抵抗器１００と交流リアクトル１０１の直列回路を介してトランジスタブリッジ１０２の交流側端子を接続し、トランジスタブリッジ１０２の直流側端子間に平滑コンデンサ１０３およびインバータブリッジ１０４を接続した構成によって、インバータブリッジ１０４に接続した電動機１０５を駆動するようになっている。

このとき、交流電源１と回生コンバータ５０との接続端であるＡ点と整流器２との間に力率改善のための交流リアクトル４０が配置され、さらに交流リアクトル４０と整流器２との間における線間にノイズフィルタ用の線間コンデンサ４１が接続される。なお、ノイズフィルタ用の線間コンデンサ４１は、例えば、特許文献２に開示されているが、ここでは特許文献２に示されている直流用チョークコイルは省略した。

ここで、回生コンバータ５０を接続した図９に示した構成での動作について説明する。なお、図１０は、図９において回生コンバータ５０から交流電源側に流れ出す回生電流を説明する図である。図１１は、図９に示すＡ点での線間電圧の状態を説明する図である。

図９において、回生コンバータ５０において回生動作が生じると、交流電源１の三相電圧のうち最大の相電圧と最小の相電圧との差電圧が抵抗器１００と交流リアクトル１０１の直列回路に印加されることによって、そのインピーダンスで制限されながら回生電流が増加していき、図１０に示すような回生電流が流れる。このとき、回生電流は、電源周波数の６０度毎に流れる相を変えていくので、図１０に示すように、６０度毎に零電圧まで急激に落ち込む変化を示すことになる。

したがって、図１１に示すように、交流電源１の電源インピーダンスと、回生コンバータ５０の構成要素である抵抗器１００および交流リアクトル１０１の直列回路のインピーダンスとの比率に応じて、交流電源１の出力端であるＡ点での線間電圧には、急激な落ち込みが生ずる。特に、抵抗器１００は、損失を少なくするために非常に小さな抵抗値のものが用いられることが多く、また、交流リアクトル１０１も小型化の観点から小さなインダクタンス値のものが用いられることが多い上に、系統等に存在する容量成分による共振も加わるので、交流電源１の電源容量が相対的に小さい場合には、図１１に示すような急激な落ち込みは、零電圧付近まで達することもある。

このように急激な落ち込みを生じている交流電源１の出力端Ａに、交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１を介して、図８に示した従来の電動機駆動用インバータ装置を接続すると、交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１との共振によって線間コンデンサ４１の電圧は、交流電源１の電圧よりも上昇することがある。

この線間コンデンサ４１に生じた交流電源１の電圧よりも高い電圧は、整流器２にて整流され、平滑コンデンサ３の充電に供される。このとき、電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子をスイッチング動作させ、電動機５に電圧・電流を供給している通常運転時においては、平滑コンデンサ３への上記のような高電圧による充電電力は、電圧型インバータ４のスイッチング素子で発生している損失、電動機５で発生する鉄損や銅損などの損失、および電動機５の軸出力によって消費されるので、平滑コンデンサ３が過充電されることはない。

特開平５−３０４７７９号公報 実開平１−６１８９３号公報

しかしながら、運転指令設定器９の停止指令によって電圧型インバータ４のスイッチング素子が全遮断状態となり電動機５に電圧や電流が供給されていない電動機停止時では、平滑コンデンサ３では外部から供給されたエネルギーを放電することができないので、平滑コンデンサ３の電圧は、交流電源１の波高値以上に過充電されて高電圧となり、インバータ装置内の部品が耐圧オーバーで破損するという問題がある。

以上は、電動機停止時にインバータ装置の平滑コンデンサを放電する回路がない場合であるが、その平滑コンデンサから制御電源などの負荷が取られている場合でも非常に軽負荷であるには、同様に平滑コンデンサの過充電が生じやすい。

また、図９に示した回路において、力率改善のための交流リアクトル４０が無い場合でも、配線のインピーダンスや交流電源１と線間コンデンサ４１との間に電圧変換用のトランスが設けられている場合にはそのトランスのインピーダンスと線間コンデンサ４１とで共振が生じ、上記と同じように、平滑コンデンサ３は過充電され、高電圧となる場合がある。

一方、回生コンバータ５０が接続されていない場合でも、半導体スイッチなどで構成され電源電圧を急峻に歪ませる機器が、電動機駆動用インバータ装置と同じ交流電源１に接続されている場合には、上記と同様の問題が発生することがある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電圧型インバータを構成するスイッチング素子の全てをＯＦＦ状態に制御している場合に、平滑コンデンサが過充電される状況となっても端子電圧が上昇するのを抑制する機構を備えた電動機駆動用インバータ装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明は、交流電圧を整流する整流器と、前記整流器が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電動機に印加する交流電圧を生成する電圧型インバータとを備える電動機駆動用インバータ装置において、前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、前記平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧が閾値電圧よりも高くなったとき、前記電動機に電流を流すように前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子にスイッチング動作を行わせる制御手段を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、電圧型インバータを構成するスイッチング素子の全てをＯＦＦ状態に制御している場合に、交流入力段に設けられる線間コンデンサとリアクトル等との共振や、交流電圧に過大サージ電圧が重畳される等により過大電圧が生じ、平滑コンデンサが過充電される状況になると、電動機に電流を流すように電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子にスイッチング動作を行わせるので、平滑コンデンサへの充電エネルギーは、半導体スイッチング素子のスイッチング損失や電動機にて発生する損失、配線での損失などによって消費される。したがって、平滑コンデンサの端子電圧が上昇するのを抑制することができ、インバータ装置内の部品が耐圧オーバーで破損するのを防止することができる。

この発明によれば、電圧型インバータを構成するスイッチング素子の全てをＯＦＦ状態に制御している場合に、平滑コンデンサの過充電による端子電圧の上昇を抑制し、インバータ装置内の部品が耐圧オーバーで破損するのを防止することができるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる電動機駆動用インバータ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１による電動機駆動用インバータ装置は、交流電源１の出力交流電圧を整流する整流器２と、整流器２の出力直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧をスイッチングして交流電圧を電動機５に印加する電圧型インバータ４とによる基本構成において、電圧型インバータ４を制御する構成として、主回路電圧検出回路６、過電圧抑制開始電圧設定器７、比較器８、運転指令設定器９、通常運転時ゲート信号作成回路１０、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１、ゲート信号切替回路１２およびゲート駆動回路１３を備えている。

主回路電圧検出回路６は、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧を検出し、それを比較器８の一方の入力端（逆相入力端）に与える。過電圧抑制開始電圧設定器７では、過電圧抑制開始電圧を設定することができる。過電圧抑制開始電圧設定器７にて設定された過電圧抑制開始電圧は比較器８の他方の入力端（正相入力端）に印加される。比較器８は、過電圧抑制開始電圧設定器７にて設定された過電圧抑制開始電圧と主回路電圧検出回路６にて検出された主回路電圧との大小関係を比較し、比較結果を示す二値のレベル信号を停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１に与える。

運転指令設定器９では、電動機５の起動指令や、停止指令、回転速度指令などの運転指令を設定することができる。運転指令設定器９にて設定された運転指令は、通常運転時ゲート信号作成回路１０に入力される。通常運転時ゲート信号作成回路１０は、運転指令設定器９から入力する運転指令が停止指令であるか停止指令以外の運転指令であるかを区別する二値のレベル信号である停止判別信号ｂを作成し、それを停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１とゲート信号切替回路１２とに出力する。並行して通常運転時ゲート信号作成回路１０は、運転指令設定器９から入力する運転指令通りに電動機５を駆動するために電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子のデート電極に与える通常運転時ゲート信号ａを作成し、それをゲート信号切替回路１２に出力する。

停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１は、通常運転時ゲート信号作成回路１０から入力する停止判別信号ｂが電圧型インバータ４を構成するスイッチング素子がＯＦＦ状態であることを示す所定論理レベルであるときの比較器８の出力に基づき、電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子のゲート電極に与える停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを作成し、それをゲート信号切替回路１２に出力する。

具体的には、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１は、比較器８の出力が過電圧抑制開始電圧よりも平滑コンデンサ３の端子電圧である主回路電圧が大きいことを示すときは、平滑コンデンサ３の充電電荷を放電させて主回路電圧を減少させるように電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子を制御する停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを作成する。一方、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１は、比較器８の出力が過電圧抑制開始電圧よりも主回路電圧が小さいことを示すときは、電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子を全てＯＦＦ状態に制御する停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを作成する。

ゲート信号切替回路１２は、停止判別信号ｂの論理レベルが停止指令以外の運転指令を示すときはゲート信号作成回路１０が作成している通常運転時ゲート信号ａを選択してゲート駆動回路１３に与える一方、停止判別信号ｂの論理レベルが停止指令の運転指令を示すときは停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１が作成している停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを選択してゲート駆動回路１３に与える。ゲート駆動回路１３は、ゲート信号切替回路１２から入力するゲート信号によって電圧型インバータ４を構成するスイッチング素子のゲート電極に対応する電圧を印加し、電圧型インバータ４を所望の動作状態に設定する。

図２は、図１に示す電動機駆動用インバータ装置と並列に回生コンバータを接続した構成例を示す図である。なお、図２では、並列に接続する回生コンバータは、図９に示した回生コンバータ５０であるので、その内部構成は図示を省略した。この図２に示す構成例では、回生コンバータ５０を並列に接続するとともに、一般的な電動機駆動用インバータ装置に適用される回路構成として、交流電源１と整流器２との間には力率改善のための交流リアクトル４０が接続され、また、整流器２と交流リアクトル４０との間の線間にはノイズフィルタ用の線間コンデンサ４１が接続されている。

この構成においても、図９にて説明したように、交流電源１に接続された回生コンバータ５０の回生動作によって、交流電源１の出力端であるＡ点での線間電圧に急峻な落ち込みが生ずるので、この落ち込み電圧が交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１とで共振して線間コンデンサ４１の電圧が交流電源１の電圧よりも上昇する。この線間コンデンサ４１に生じた交流電源１よりも高い電圧は、整流器２にて整流され、平滑コンデンサ３の充電に供されるので、平滑コンデンサ３を過充電しようとする動作が同様に行われる。

しかし、図１に示した実施の形態１による電動機駆動用インバータ装置を使用した場合には、平滑コンデンサ３の電圧上昇を抑制することが可能となる。以下、図２を参照して交流電源１の出力端であるＡ点での線間電圧に急峻な落ち込みが生ずる場合における実施の形態１による電動機駆動用インバータ装置の動作について説明する。

図２において、過電圧抑制開始電圧設定器７にて設定された過電圧抑制を開始する電圧と主回路電圧検出回路６にて検出された平滑コンデンサ３の端子電圧とが比較器８にて比較され、大小関係の比較結果が停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１に入力される。また、運転指令設定器９にて設定された電動機５の起動指令や停止指令、回転速度指令等の運転指令が通常運転時ゲート信号作成回路１０に入力される。

通常運転時ゲート信号作成回路１０は、運転指令設定器９から入力された運転指令が停止指令であるときは、“１”レベルの停止判別信号ｂを作成し、運転指令設定器９から入力された運転指令が停止指令以外の起動指令や回転速度指令等であるときは、“０”レベルの停止判別信号ｂを作成し、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１とゲート信号切替回路１２とに出力している。そして、通常運転時ゲート信号作成回路１０は、運転指令設定器９から入力された運転指令通りに電動機５を駆動するための通常運転時ゲート信号ａを作成してゲート信号切替回路１２に出力する。

また、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１は、通常運転時ゲート信号作成回路１０から入力された停止判別信号ｂが“１”レベルであるときの比較器８の出力に基づき、電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子のゲート電極に与える停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを作成し、それをゲート信号切替回路１２に出力する。

図３は、ゲート信号切替回路１２の動作を説明するフローチャートである。図３において、ゲート信号切替回路１２は、通常運転時ゲート信号作成回路１０の出力である通常運転時ゲート信号ａおよび停止判別信号ｂを取り込み（ステップＳＴ１）、また停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１の出力である停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを取り込み（ステップＳＴ２）、停止判別信号ｂが“０”レベルであるか“１”レベルであるかを判定する（ステップＳＴ３）。

ゲート信号切替回路１２は、停止判別信号ｂが“０”レベルの場合には、通常運転時ゲート信号作成回路１０から取り込んだ通常運転時ゲート信号ａを選択し（ステップＳＴ４）、また、停止判別信号が“１”の場合には、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１から取り込んだ停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを選択し（ステップＳＴ５）、それぞれをゲート駆動回路１３に出力する（ステップＳＴ６）。

その結果、ゲート駆動回路１３は、ゲート信号切替回路１２が出力する通常運転時ゲート信号ａまたは停止時過電圧抑制ゲート信号ｃが指示する電圧を電圧型インバータ４を構成するスイッチング素子のゲート電極に印加し、ゲート信号切替回路１２の出力通りに電圧型インバータ４を駆動する。

ここで、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１は、通常運転時ゲート信号作成回路１０から入力された停止判別信号ｂが“１”レベルであるときに、比較器８の出力が負電圧レベルとなり過電圧抑制開始電圧よりも平滑コンデンサ３の端子電圧である主回路電圧が大きいことを示すときは、電動機５に電流が流れるように電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子を制御する停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを作成する。

すなわち、運転指令設定器９にて、電圧型インバータ４を構成するスイッチング素子を全てＯＦＦ状態に設定し、電動機５を停止状態にしている場合において、交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１との共振現象によって平滑コンデンサ３が過充電され、平滑コンデンサ３の端子電圧である主回路電圧が交流電源１の波高値を大きく超えて上昇し、その上昇する主回路電圧が過電圧抑制開始電圧設定器７にて設定した過電圧抑制開始電圧を超えると、電圧型インバータ４のスイッチング素子を駆動して電動機５に電流が流れるようにするので、電圧型インバータ４のスイッチング素子で発生する損失および電動機５で発生する鉄損、銅損等の損失等によって平滑コンデンサ３のエネルギーを放電することができ、主回路電圧の異常上昇が抑制される。

電動機５に電流が流れるように電圧型インバータ４を構成しているスイッチング素子を制御する方法としては、電動機５が回転トルクを極力発生しない状態で電流が流れるようにする停止時過電圧抑制ゲート信号を生成する方法と、電動機５が回転トルクを発生する状態で電流が流れるようにする停止時過電圧抑制ゲート信号を生成する方法とがある。前者の方法は、電動機５に接続されている負荷に影響を与えないで済む利点がある。これには、例えば次の（ａ）〜（ｃ）に示す各種の方法がある。勿論、電動機５が多少回転しても問題の無い用途においては、後者の方法を採用し、電動機５が回転するように電流を流しても良いことは言うまでもない。この場合には、電動機５の軸出力等によっても平滑コンデンサ３のエネルギーを放電できる利点がある。

（ａ）電動機５に概略直流電流が流れるように電圧型インバータ４を動作させる。最も簡便な方法である。（ｂ）電動機５に供給する電流の通電相を交互に切り替えるように電圧型インバータ４を動作させる。電圧型インバータ４および電動機５の電流が１相に集中するのを防止できる。（ｃ）電動機５に高周波の電流を供給するように電圧型インバータ４を動作させる。これは、電動機５が誘導電動機である場合に有効である。以下、図４を参照して説明する。

図４は、誘導電動機のすべりとトルク、一次電流との関係特性を示す図であるが、図４に示すように、すべりが大きいときは、大きな電動機電流（１）が流れる一方、電動機トルク（２）は小さくなる。したがって、電動機５が誘導電動機の場合には、高い周波数の電圧を与え、すべりを大きくして電動機トルクが小さくなる状態で高周波の電流を与えることで実現することができる。これによれば、電圧型インバータ４および電動機５の電流が３相均等となり、損失が３相に分散されるので、より信頼性が向上する。

一方、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１は、通常運転時ゲート信号作成回路１０から入力された停止判別信号ｂが“１”レベルであるときに、比較器８の出力が正電圧レベルとなり過電圧抑制開始電圧設定器７にて設定された過電圧抑制開始電圧よりも平滑コンデンサ３の端子電圧である主回路電圧が小さいことを示すときは、主回路電圧の抑制は不要であるので、電圧型インバータ４を構成するスイッチング素子の全てをＯＦＦ状態にする停止時過電圧抑制ゲート信号ｃを作成する。

なお、運転指令設定器９にて、停止指令以外の運転指令を設定し、通常運転時ゲート信号作成回路１０からの通常運転時ゲート信号ａにて電動機５を駆動している場合には、従来の電動機駆動用インバータ装置を用いた場合と同様の動作となる。すなわち、電圧型インバータ４のスイッチング素子で発生する損失、電動機５で発生する鉄損や銅損等の損失および電動機５の軸出力によって、交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１の共振による平滑コンデンサ３を充電した電力は消費されて平滑コンデンサ３が過充電することはなく、運転指令設定器９で設定された電動機５の動作に影響を与えることもない。

このように、実施の形態１によれば、運転指令設定器９にて運転指令として停止指令を設定している場合において、交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１との共振現象によって平滑コンデンサ３が交流電源１の波高値を大きく超えて過充電されることが抑制されるので、インバータ装置内部の部品が耐圧オーバーで破損することを防止することができる。

なお、図１および図２では、比較器８を用いて停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１が作成する停止時過電圧抑制ゲート信号ｃの性格を規定するようにしているが、この構成に限定されるものではなく、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１にて好適に平滑コンデンサ３の過電圧が抑制できるようなゲート信号が作成できる構成であれば良い。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。なお、図５では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図５に示すように、実施の形態２による電動機駆動用インバータ装置は、交流電源１の出力交流電圧を整流する整流器２と、整流器２の出力直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧をスイッチングして交流電圧を電動機５に印加する電圧型インバータ４とによる基本構成において、電圧型インバータ４を制御する構成として、運転指令設定器９、通常運転時ゲート信号作成回路１０、ゲート駆動回路１３、抵抗器６０、スイッチ６１およびスイッチ制御回路６２Ａを備えている。

抵抗器６０は、整流器２の一方の出力端と平滑コンデンサ３の対応する端子との間に設けられている。また、スイッチ６１は、コンタクタやサイリスタなどのスイッチ素子であり、スイッチ制御回路６２Ａの制御下に抵抗器６０の両端を短絡・非短絡するように配置されている。なお、抵抗器６０とスイッチ６１は、平滑コンデンサ３への突入電流防止を抑制するために電源投入時のみ動作する回路として予め装着されていることが多いので、その場合には兼用することが可能である。

通常運転時ゲート信号作成回路１０は、実施の形態１にて説明したように、運転指令設定器９から入力された運転指令が停止指令であるときは、“１”レベルの停止判別信号ｂを作成し、運転指令設定器９から入力された運転指令が停止指令以外の起動指令や回転速度指令等であるときは、“０”レベルの停止判別信号ｂを作成するが、この実施の形態２では、その停止判別信号ｂをスイッチ制御回路６２Ａに与えるようになっている。

また、通常運転時ゲート信号作成回路１０は、実施の形態１にて説明したように、運転指令設定器９から入力された運転指令通りに電動機５を駆動するための通常運転時ゲート信号ａを作成するが、この実施の形態２では、その通常運転時ゲート信号ａを直接ゲート駆動回路１３に与えるようになっている。

スイッチ制御回路６２Ａは、通常運転時ゲート信号作成回路１０からの停止判別信号ｂが“１”レベルの場合にはスイッチ６１を開路状態に制御し、整流器２からの電流が抵抗器６０にて制限されて平滑コンデンサ３を充電するように動作する一方、停止判別信号が“０”レベルの場合には、スイッチ６１を閉路状態に制御して抵抗器６０を短絡し、整流器２からの電流が制限無く平滑コンデンサ３を充電するように動作する。

このように構成される実施の形態２による電動機駆動用インバータ装置では、図２に示した交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１、回生コンバータ５０を接続して使用した場合でも運転指令設定器９からの停止指令を受けて電圧型インバータ４のスイッチング素子が全遮断状態となり、電動機５に電圧や電流が供給されていない状態において、交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１との共振現象によって平滑コンデンサ３が過充電されて端子電圧が交流電源１の波高値を大きく超えることが抑制できる。

すなわち、運転指令設定器９からの停止指令により、電圧型インバータ４のスイッチング素子が全遮断状態となり、電動機５に電圧や電流が供給されていない状態においては、通常運転時ゲート信号作成回路１０が“１”レベルの停止判別信号ｂをスイッチ制御回路６２Ａに出力する。そして、スイッチ制御回路６２Ａは、停止判別信号が“１”レベルである場合には、スイッチ６１を開路状態に制御するので、整流器２と平滑コンデンサ３との間に抵抗器６０が介在する構成となる。

したがって、回生コンバータ５０の動作等によって交流電源１の出力端電圧に歪みを生じ、それが交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１とで共振して交流電源１の電圧よりも高くなり、整流器２から平滑コンデンサ３に過大な充電電流が流れようとしても抵抗器６０にて制限されるので、平滑コンデンサ３の電圧上昇が抑制できる。

そして、平滑コンデンサ３には、通常、電圧検出用等で消費電力は小さいながらも放電する回路が設けられているので、抵抗器６０にて平滑コンデンサ３への過充電を制限できれば、平滑コンデンサ３の端子電圧が一定レベル以上に上昇しないように抑制することが可能となり、インバータ装置内部の部品が耐圧オーバーで破損することを防止できる。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。なお、図６では、図１（実施の形態１）と図５（実施の形態２）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。

図６に示すように、実施の形態３による電動機駆動用インバータ装置は、交流電源１の出力交流電圧を整流する整流器２と、整流器２の出力直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧をスイッチングして交流電圧を電動機５に印加する電圧型インバータ４とによる基本構成において、電圧型インバータ４を制御する構成として、図５（実施の形態２）に示した構成において、スイッチ制御回路６２Ａに代えてスイッチ制御回路６２Ｂが設けられ、また、図１（実施の形態１）に示した主回路電圧検出回路６、過電圧抑制開始電圧設定器７および比較器８が設けられている。

スイッチ制御回路６２Ｂは、過電圧抑制開始電圧設定器７にて設定された過電圧抑制を開始する電圧と、主回路電圧検出回路６にて検出された平滑コンデンサ３の端子電圧との大小関係を比較する比較器８からの出力信号が入力し、また、通常運転時ゲート信号作成回路１０から停止判別信号ｂが入力し、両信号に基づきスイッチ６１を制御するようになっている。

すなわち、スイッチ制御回路６２Ｂは、平滑コンデンサ３の端子電圧が過電圧抑制開始電圧設定器７にて設定された過電圧抑制を開始する電圧よりも高く、かつ停止判別信号ｂが“１”レベルである場合に、スイッチ制御回路６２Ａと同様に、スイッチ６１を開路状態に制御し、整流器２と平滑コンデンサ３との間に抵抗器６０を介在させるように動作する。

ここで、実施の形態２では、スイッチ制御回路６２Ａは、停止判別信号ｂが“１”レベルから“０”に変化すると、スイッチ６１を開路状態から閉路状態に変化させるが、それには時間遅れが存在し、スイッチ６１が開路状態である間は交流電源１から平滑コンデンサ３への電力入力が抵抗器６０にて制限された状態となるので、平滑コンデンサ３の電圧が低下し、電動機５の出力が低下する可能性がある。

それに対しこの実施の形態３では、過電圧抑制開始電圧設定器７での設定電圧を交流電源１の電圧よりも高い状態に設定しておけば、スイッチ６１は、平滑コンデンサ３の端子電圧が過電圧抑制開始電圧設定器７での設定電圧以上にて開路状態となり、それ以下では閉路状態となるので、平滑コンデンサ３の電圧上昇を抑制しながら、運転開始時の平滑コンデンサ３の電圧不足も抑制できるという新たな効果がある。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。なお、図７では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。

図７に示すように、実施の形態４による電動機駆動用インバータ装置は、交流電源１の出力交流電圧を整流する整流器２と、整流器２の出力直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧をスイッチングして交流電圧を電動機５に印加する電圧型インバータ４とによる基本構成において、電圧型インバータ４を制御する構成として、図１（実施の形態１）に示した構成において、過電圧抑制開始電圧設定器７に代えて停止時過電圧レベル設定器７０が設けられ、停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１に代えて停止時過電圧検出回路７１が設けられ、また、ゲート信号切替回路１２が削除されている。

停止時過電圧検出回路７１は、通常運転時ゲート信号作成回路１０からの停止判別信号ｂが“１”レベルである場合に、比較器８の出力が負電圧レベルとなり、平滑コンデンサ３の端子電圧が停止時過電圧レベル設定器７０にて設定された電圧よりも高い場合には、電源電圧歪みが大きくなっているとして、停止時過電圧異常信号ｄを外部に出力するようになっている。

この構成によれば、交流電源１の出力端電圧である電源系統電圧の歪みが非常に大きくなったことが外部にて判断できるので、例えば、系統の電源を遮断したり、同じ電源系統に接続されている回生コンバータを切り離して別系統に接続替えするなど、電圧歪みが減少するような対策を採ることが可能となり、同一の系統に接続されている他の機器も同時に電圧歪みにより過電圧等が生じるのが抑制できるという効果がある。

ここで、図示は省略したが、交流電源１の出力交流電圧を整流する整流器２と、整流器２の出力直流電圧を平滑する平滑コンデンサ３と、平滑コンデンサ３の両端に現れる主回路電圧をスイッチングして交流電圧を電動機５に印加する電圧型インバータ４とによる基本構成において、電圧型インバータ４を制御する構成としては、実施の形態１、３、４を組み合わせることによっても構成することができる。

この構成によれば、平滑コンデンサ３の電圧上昇を抑制するように停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路１１、ゲート信号切替回路１２およびスイッチ制御回路６２Ｂが動作した場合には、外部に停止時過電圧異常信号ｄを出力することができるので、過電圧を確実に抑制した上で、外部での対策を採ることが可能となり、インバータ装置内部の部品が耐圧オーバーで破損することを信頼性高く防止できるという利点がある。

なお、実施の形態１〜４では、力率改善のための交流リアクトル４０が存在することを念頭に置いて説明したが、力率改善のための交流リアクトル４０が無い場合でも、配線のインピーダンスや、交流電源１と線間コンデンサ４１の間に電圧変換用のトランスが設けられている場合にはそのトランスのインピーダンスと線間コンデンサ４１とで共振を生ずるので、平滑コンデンサ３が過充電されて端子電圧が高電圧となる場合があるが、この場合でも、この発明によれば、平滑コンデンサ３の過電圧を抑制できるので、実施の形態１〜４と同様の効果を奏する。

また、実施の形態１〜４では、回生コンバータが並列に接続されている場合について説明したが、回生コンバータが接続されていない場合でも、半導体スイッチ等により構成され電源電圧を急峻に歪ませる機器が同じ交流電源に接続されている場合には、同様にその電圧歪みが交流リアクトル４０と線間コンデンサ４１との共振現象によって平滑コンデンサ３の端子電圧を上昇させるが、この発明によれば、平滑コンデンサ３の過電圧を抑制できるので、この場合も実施の形態１〜４と同様の効果を奏する。

さらに、交流電源１の商用電圧成分に対して重畳するサージ電圧等、交流電源１の電圧波高値よりも大きな電圧が過渡的に連続または非連続に生じ、平滑コンデンサ３を過充電しようとする現象に対してもこの発明を適用することができることはいうまでもない。

要するに、この発明は、図２に示した交流リアクトル４０や線間コンデンサ４１、回生コンバータ５０の存在を前提としているのではなく、それらの有無とは無関係に、電圧型インバータ４を構成するスイッチング素子がゲート遮断して電動機５に電圧が印加されていない状態において平滑コンデンサ３の端子電圧が交流電源１の電圧波高値よりも上昇してしまう場合にその電圧上昇を有効に抑制するのに適用される。

また、この発明の適用においては、実施の形態１にて説明した過電圧抑制開始電圧設定器７のように、予め過電圧抑制動作を開始する電圧を設定して置く必要は無い。例えば、ＣＲフィルタ等で電源電圧歪みを除去した状態の電圧を検出し、それに対してオフセットをつけて過電圧抑制動作を開始する電圧にする等、各種の変形態様を採ることが可能であり、それらは全てこの発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

以上のように、この発明にかかる電動機駆動用インバータ装置は、交流入力段に過大電圧が生ずる状況において電動機を運転する場合に有用であり、特に、同一の電源系統に回生コンバータが並列に接続される場合に適している。

この発明の実施の形態１による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す電動機駆動用インバータ装置と並列に回生コンバータを接続した構成例を示す図である。 図１に示すゲート信号切替回路の動作を説明するフローチャートである。 誘導電動機のすべりとトルク、一次電流との関係特性を示す図である。 この発明の実施の形態２による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４による電動機駆動用インバータ装置の構成を示すブロック図である。 従来の電動機駆動用インバータ装置の構成例を示す図である。 図８に示す電動機駆動用インバータ装置と並列に回生コンバータを接続した構成例を示す図である。 図９において回生コンバータから交流電源側に流れ出す回生電流を説明する図である。 図９に示すＡ点での線間電圧の状態を説明する図である。

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流器
３ 平滑コンデンサ
４ 電圧型インバータ
５ 電動機
６ 主回路電圧検出回路
７ 過電圧抑制開始電圧設定器
８ 比較器
９ 運転指令設定器
１０ 通常運転時ゲート信号作成回路
１１ 停止時過電圧抑制ゲート信号作成回路
１２ ゲート信号切替回路
１３ ゲート駆動回路
６０ 抵抗器
６１ スイッチ
６０Ａ，６０Ｂ スイッチ制御回路
７０ 停止時過電圧レベル設定器
７１ 停止時過電圧検出回路

Claims (11)

1. 交流電圧を整流する整流器と、前記整流器が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電動機に印加する交流電圧に変換する電圧型インバータとを備える電動機駆動用インバータ装置において、
   前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、前記平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧が閾値電圧よりも高くなったとき、前記電動機に電流を流すように前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子にスイッチング動作を行わせる制御手段、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
2. 前記制御手段は、
   前記電動機が殆ど回転しない程度の電圧を電動機に印加するように前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する構成、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ装置。
3. 前記制御手段は、
   前記電動機に概略直流となる電流を供給するように前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する構成、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動用インバータ装置。
4. 前記制御手段は、
   前記電動機に供給する電流の通電相を交互に切り替えるように前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する構成、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動用インバータ装置。
5. 前記制御手段は、
   前記電動機に高周波の電流を供給するように前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する構成、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動用インバータ装置。
6. 交流電圧を整流する整流器と、前記整流器が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電動機に印加する交流電圧に変換する電圧型インバータとを備える電動機駆動用インバータ装置において、
   前記整流器と前記平滑コンデンサとの間に設けられ、抵抗器とこの抵抗器の両端を短絡状態と非短絡状態とに設定できるスイッチ素子との並列回路と、
   前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、前記スイッチ素子に開路動作を行わせる手段と、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
7. 交流電圧を整流する整流器と、前記整流器が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電動機に印加する交流電圧に変換する電圧型インバータとを備える電動機駆動用インバータ装置において、
   前記整流器と前記平滑コンデンサとの間に設けられ、抵抗器とこの抵抗器の両端を短絡状態と非短絡状態とに設定できるスイッチ素子との並列回路と、
   前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、前記平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧が閾値電圧よりも高くなったとき、前記スイッチ素子に開路動作を行わせる手段と、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
8. 前記並列回路は、前記平滑コンデンサへの突入電流を抑制するために予め設けられている突入防止抑制回路であることを特徴とする請求項６または７に記載の電動機駆動用インバータ装置。
9. 交流電圧を整流する整流器と、前記整流器が出力する直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電動機に印加する交流電圧に変換する電圧型インバータとを備える電動機駆動用インバータ装置において、
   前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、前記平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧が閾値電圧よりも高くなったとき、停止時の過電圧異常状態が発生したことを外部に報知する手段、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
10. 前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、前記平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧が閾値電圧よりも高くなったとき、停止時の過電圧異常状態が発生したことを外部に報知する手段、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ装置。
11. 前記電圧型インバータを構成する半導体スイッチング素子がスイッチング動作を停止している場合に、前記平滑コンデンサの両端に現れる主回路電圧が閾値電圧よりも高くなったとき、停止時の過電圧異常状態が発生したことを外部に報知する手段、
    を備えたことを特徴とする請求項７に記載の電動機駆動用インバータ装置。
    
    

Images