JP2010119181A - Inverter apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ装置に備えられる平滑コンデンサの充電に関するものである。 The present invention relates to charging of a smoothing capacitor provided in an inverter device.
従来、インバータ装置に備えられる平滑コンデンサの充電は、充電用抵抗器を用いて行われている（例えば、特許文献１参照）。図６により説明する。運転前に、直流電源であるバッテリー１から、インバータ装置１２０の抵抗器１２、リレー９の接点ａ側を経由し、平滑コンデンサ８が充電される。充電完了後、リレー９は接点ｂ側に設定され、インバータ回路１０に電力供給が可能となる。 Conventionally, charging of a smoothing capacitor provided in an inverter device is performed using a charging resistor (see, for example, Patent Document 1). This will be described with reference to FIG. Before the operation, the smoothing capacitor 8 is charged from the battery 1 which is a DC power source through the resistor 12 of the inverter device 120 and the contact a side of the relay 9. After the charging is completed, the relay 9 is set to the contact b side, and power can be supplied to the inverter circuit 10.
運転時においては制御回路１０７が、インバータ回路１０を構成するスイッチング素子２（ＩＧＢＴ、ＦＥＴ，トランジスタ等が用いられる）を、接続線１８を介して制御することにより、バッテリー１からの直流電圧がＰＷＭ変調でスイッチングされ、交流電流がモータ１１を構成する固定子巻線４へ出力される。これにより、モータ１１の回転子５が駆動される。ダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。制御回路１０７は、磁石回転子５の位置推定、スイッチング素子２保護、消費電力算出、運転回転数等を指令するコントローラとの通信なども行う。
上記のように、平滑コンデンサの充電は、充電用抵抗器を用いて行われている。そのため、充電のための抵抗器が必要となる。この充電用抵抗器は、消費電力が大きいため、サイズの大きい電力抵抗が用いられる。そのため、大きい設置スペースが必要となり、配線、発熱への対策なども必要となる。これにより、インバータ装置が大型化し、信頼性も課題となる。 As described above, the smoothing capacitor is charged using the charging resistor. Therefore, a resistor for charging is required. Since this charging resistor consumes a large amount of power, a large-sized power resistor is used. Therefore, a large installation space is required, and measures for wiring and heat generation are also required. As a result, the size of the inverter device is increased, and reliability is also an issue.
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、充電用抵抗器を使用しない小型軽量で信頼性が高いインバータ装置の提供を目的とする。 The present invention solves such a conventional problem, and an object thereof is to provide a small, lightweight, and highly reliable inverter device that does not use a charging resistor.
上記課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、平滑コンデンサと、インバータ回路に交流電流をモータへ出力させる制御回路とを備え、平滑コンデンサの一端は直流電源のプラス側もしくはマイナス側に接続され、平滑コンデンサの他端は開閉器を介して、任意の相における上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点に接続され、制御回路が任意の相以外のスイッチング素子をＯＮさせることにより、平滑コンデンサを充電するものである。 In order to solve the above problems, an inverter device according to the present invention includes an inverter circuit including an upper arm switching element connected to the plus side of a DC power source and a lower arm switching element connected to the minus side, a smoothing capacitor, A control circuit that outputs an alternating current to the motor in the inverter circuit, one end of the smoothing capacitor is connected to the positive side or the negative side of the DC power source, and the other end of the smoothing capacitor is connected to any phase through a switch. The smoothing capacitor is charged by turning on switching elements other than an arbitrary phase connected to a connection point between the upper arm switching element and the lower arm switching element.
これにより、モータのコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサの静電容量とにより共振電流が流れはじめる。但し、平滑コンデンサが充電されると、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流は、任意の相におけるダイオードを流れる。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、コイルの抵抗、ダイオード、スイッチング素子に消費されるため、共振電流は停止する。そのため、充電用抵抗器を用いず、部品を追加することなく、平滑コンデンサを充電できる。 As a result, a resonance current starts to flow due to the inductance present in the motor coil and the capacitance of the smoothing capacitor. However, when the smoothing capacitor is charged, the current due to the energy stored in the inductance flows through the diode in any phase. Thereby, the energy stored in the inductance is consumed by the coil resistance, the diode, and the switching element, so that the resonance current stops. Therefore, the smoothing capacitor can be charged without using a charging resistor and without adding components.
また、平滑コンデンサの充電完了直後に、充電するためにＯＮさせたスイッチング素子
をＯＦＦさせることにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、コイルの抵抗、ダイオード等に消費されることなく、直流電源に回収される。
Also, immediately after the smoothing capacitor is fully charged, the switching element that is turned on for charging is turned off, so that the energy stored in the inductance is recovered by the DC power supply without being consumed by the coil resistance, diode, etc. Is done.
従って、小型軽量で信頼性が高く充電電力の削減ができるインバータ装置を実現できる。 Therefore, it is possible to realize an inverter device that is small and lightweight, highly reliable, and capable of reducing charging power.
本発明のインバータ装置は、平滑コンデンサの充電用抵抗器が不要であり小型軽量で信頼性が高く、充電電力の削減ができる。 The inverter device of the present invention does not require a charging resistor for a smoothing capacitor, is small and lightweight, has high reliability, and can reduce charging power.
第１の発明のインバータ装置は、直流電源のプラス側に接続される上アームスイッチング素子とマイナス側に接続される下アームスイッチング素子とを備えたインバータ回路と、平滑コンデンサと、インバータ回路に交流電流をモータへ出力させる制御回路とを備え、平滑コンデンサの一端は直流電源のプラス側もしくはマイナス側に接続され、平滑コンデンサの他端は開閉器を介して、任意の相における上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点に接続され、制御回路が任意の相以外のスイッチング素子をＯＮさせることにより、平滑コンデンサを充電するものである。 An inverter device according to a first aspect of the present invention includes an inverter circuit including an upper arm switching element connected to the plus side of a DC power source and a lower arm switching element connected to the minus side, a smoothing capacitor, and an AC current in the inverter circuit. A smoothing capacitor with one end connected to the positive or negative side of the DC power supply, and the other end of the smoothing capacitor via a switch to the upper arm switching element and the lower arm in any phase. The smoothing capacitor is charged when the control circuit is connected to a connection point with the arm switching element and the control circuit turns on switching elements other than the arbitrary phase.
これにより、モータのコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサの静電容量とにより共振電流が流れはじめる。但し、平滑コンデンサが充電されると、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流は、任意の相におけるダイオードを流れる。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、コイルの抵抗、ダイオードに消費されるため、共振電流は停止する。そのため、充電用抵抗器を用いず、部品を追加することなく、平滑コンデンサを充電できる。即ち、し小型軽量で信頼性を高くできる。 As a result, a resonance current starts to flow due to the inductance present in the motor coil and the capacitance of the smoothing capacitor. However, when the smoothing capacitor is charged, the current due to the energy stored in the inductance flows through the diode in any phase. As a result, the energy stored in the inductance is consumed by the resistance and diode of the coil, and the resonance current stops. Therefore, the smoothing capacitor can be charged without using a charging resistor and without adding components. That is, it is small and light and can be highly reliable.
第２の発明は、第１の発明のインバータ装置において、平滑コンデンサの充電完了直後に、ＯＮさせたスイッチング素子をＯＦＦさせるものである。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーが、コイルの抵抗、ダイオードに消費されることなく、直流電源に回収される。即ち、充電電力の削減ができる。 According to a second aspect, in the inverter device according to the first aspect, immediately after the smoothing capacitor is completely charged, the switching element that is turned on is turned off. As a result, the energy stored in the inductance is recovered by the DC power supply without being consumed by the coil resistance or diode. That is, the charging power can be reduced.
第３の発明は、第２の発明のインバータ装置において、記充電完了は、時間により判定するものである。充電完了時間は、モータのコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサの静電容量とによる共振電流の周期から判定できる。従って、部品などを追加することなく、充電完了を判定できる。 According to a third aspect of the invention, in the inverter device of the second aspect, the completion of charging is determined by time. The charging completion time can be determined from the period of the resonance current due to the inductance present in the motor coil and the capacitance of the smoothing capacitor. Therefore, it is possible to determine the completion of charging without adding parts or the like.
第４の発明は、第２の発明のインバータ装置において、充電完了は、直流電源とインバータ回路との間の電流により判定するものである。充電が完了すると、直流電源からの電流が流れなくなる。直流電源とインバータ回路との間の電流は、一般的にインバータ装置の制御のために検出される。従って、部品などを追加することなく、充電完了を判定できる。 According to a fourth invention, in the inverter device of the second invention, completion of charging is determined by a current between the DC power supply and the inverter circuit. When charging is complete, no current flows from the DC power supply. The current between the DC power source and the inverter circuit is generally detected for controlling the inverter device. Therefore, it is possible to determine the completion of charging without adding parts or the like.
第５の発明は、第１乃至第４の発明のインバータ装置において、車両に搭載されるものである。車両においては、バッテリー（直流電源）が電源となるため、平滑コンデンサの充電回路は必須になる。また、小型軽量で信頼性が高いことが求められる。そのため、本インバータ装置は有用である。 A fifth invention is an inverter device according to the first to fourth inventions, which is mounted on a vehicle. In a vehicle, since a battery (DC power supply) is a power source, a smoothing capacitor charging circuit is essential. Further, it is required to be small and light and highly reliable. Therefore, this inverter device is useful.
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。尚、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. The present invention is not limited to the embodiment.
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るインバータ装置２０とその周辺の電気回路である。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの上アームスイッチング素子２をＵ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子２をＸ，Ｙ，Ｚとする。また、それらに対応するダイオード３を、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ、３Ｘ，３Ｙ，３Ｚとする。バッテリー１のプラス側に平滑コンデンサ８の一端が接続されている。平滑コンデンサ８の他端はリレー９の接点ａを介して、Ｕ相の上アームスイッチング素子Ｕと下アームスイッチング素子Ｘとの接続点に接続されている。リレー９の接点ｂは、バッテリー１のマイナス側に接続される。運転時の作動については、背景技術と同様であり割愛する。平滑コンデンサ８の充電について以下説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an inverter device 20 according to Embodiment 1 of the present invention and an electric circuit around the inverter device 20. The upper arm switching element 2 for each of the U phase, V phase, and W phase is U, V, W, and the lower arm switching element 2 is X, Y, Z. Further, the diodes 3 corresponding to them are assumed to be 3U, 3V, 3W, 3X, 3Y, 3Z. One end of the smoothing capacitor 8 is connected to the positive side of the battery 1. The other end of the smoothing capacitor 8 is connected to a connection point between the U-phase upper arm switching element U and the lower arm switching element X via a contact a of the relay 9. The contact b of the relay 9 is connected to the negative side of the battery 1. The operation during operation is the same as in the background art and is omitted. The charging of the smoothing capacitor 8 will be described below.
図２に、平滑コンデンサ８の充電電流の流れを示す。スイッチング素子ＹをＯＮにすると、バッテリー１のプラス側、平滑コンデンサ８、リレー９の接点ａ、固定子巻線４のＵ相、固定子巻線４のＶ相、スイッチング素子Ｙ、バッテリー１のマイナス側へと充電電流が流れる。これは、固定子巻線４のコイルに存在するインダクタンスと平滑コンデンサ８の静電容量とによる共振電流であるため、正弦波電流が流れる。そして、平滑コンデンサ８の充電完了は、スイッチング素ＹをＯＮにしてから、当該共振電流周期のほぼ１／４となる。この経過時間により充電完了と判定できる。 FIG. 2 shows the flow of the charging current of the smoothing capacitor 8. When the switching element Y is turned ON, the positive side of the battery 1, the smoothing capacitor 8, the contact a of the relay 9, the U phase of the stator winding 4, the V phase of the stator winding 4, the switching element Y, the negative of the battery 1 Charging current flows to the side. Since this is a resonance current due to the inductance present in the coil of the stator winding 4 and the electrostatic capacitance of the smoothing capacitor 8, a sine wave current flows. The completion of the charging of the smoothing capacitor 8 is approximately ¼ of the resonance current period after the switching element Y is turned on. Based on this elapsed time, it can be determined that charging is complete.
また、当該インダクタンスに蓄えられたエネルギーにより、平滑コンデンサ８の充電電圧がバッテリー１の電圧に達して（充電完了）からも流れようとする。そして、平滑コンデンサ８の他端が若干マイナス電圧になると、ダイオード３Ｘが導通する。このとき、スイッチング素子Ｙからバッテリー１のマイナス側への電流は流れなくなる。これにより充電完了と判定することもできる。バッテリー１とインバータ回路１０との間の電流は、一般的にインバータ装置２０の制御のために必要であり、電流検出器が設けられる。従って、電流検出器などの部品を追加することなく、充電完了を判定できる。 Further, due to the energy stored in the inductance, the charging voltage of the smoothing capacitor 8 tends to flow after reaching the voltage of the battery 1 (charging is completed). When the other end of the smoothing capacitor 8 becomes slightly negative, the diode 3X becomes conductive. At this time, no current flows from the switching element Y to the negative side of the battery 1. Thereby, it can also determine with charge completion. The current between the battery 1 and the inverter circuit 10 is generally necessary for controlling the inverter device 20, and a current detector is provided. Therefore, it is possible to determine the completion of charging without adding components such as a current detector.
ダイオード３Ｘが導通することにより、図３に示すように、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のＵ相、固定子巻線４のＶ相、スイッチング素子Ｙ、バッテリー１のマイナス側、ダイオード３Ｘへと、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流が流れる。これを低速循環電流とする。そして、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のコイルの抵抗、スイッチング素子Ｙに消費され、共振電流は停止する。ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のコイルの抵抗、スイッチング素子Ｙは、設計上電力消費が大きいことが配慮されているので、このときの電力消費程度は問題ない。 When the diode 3X becomes conductive, as shown in FIG. 3, the diode 3X, the U phase of the stator winding 4, the V phase of the stator winding 4, the switching element Y, the negative side of the battery 1, and the diode 3X. , Current due to the energy stored in the inductance flows. This is the low-speed circulating current. The energy stored in the inductance is consumed by the diode 3X, the resistance of the coil of the stator winding 4 and the switching element Y, and the resonance current stops. Since the diode 3X, the resistance of the coil of the stator winding 4 and the switching element Y are considered to have a large power consumption in design, there is no problem with the power consumption at this time.
上記インダクタンスに蓄えられたエネルギーをバッテリー１へ回収し、電力消費を低減する方法を、図４に示す。平滑コンデンサ８の充電が完了した時点で、スイッチング素子ＹをＯＦＦにする。これにより、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のＵ相、固定子巻線４のＶ相、ダイオード３Ｖ、バッテリー１のプラス側、バッテリー１のマイナス側、ダイオード３Ｘへと、インダクタンスに蓄えられたエネルギーによる電流が流れる。これを高速循環電流とする。これにより、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは瞬時にバッテリー１に回収され、ダイオード３Ｘ、固定子巻線４のコイルの抵抗、ダイオード３Ｖに消費される量は少ない。即ち、充電電力の削減ができる。また、インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、バッテリー１の電圧に電力変換されるため、図３の電流が低い電圧であるダイオード３Ｘ、スイッチング素子Ｙ等により消費される場合に比較し、電流の流れは短時間で終了する。 FIG. 4 shows a method for recovering the energy stored in the inductance to the battery 1 and reducing power consumption. When charging of the smoothing capacitor 8 is completed, the switching element Y is turned off. As a result, the energy stored in the inductance is transferred to the diode 3X, the U phase of the stator winding 4, the V phase of the stator winding 4, the diode 3V, the positive side of the battery 1, the negative side of the battery 1, and the diode 3X. Current flows. This is the high-speed circulating current. Thereby, the energy stored in the inductance is instantaneously recovered in the battery 1, and the amount consumed by the diode 3X, the resistance of the coil of the stator winding 4, and the diode 3V is small. That is, the charging power can be reduced. In addition, since the energy stored in the inductance is converted into the voltage of the battery 1, the current flow in FIG. 3 is smaller than that in the case where the current is consumed by the diode 3X, the switching element Y, etc., which are low voltages. Finish in a short time.
平滑コンデンサ８の充電が完了した時点で、平滑コンデンサ８の電圧はバッテリー１の電圧にほぼ等しいので、図５の如くリレー９は接点ｂに設定される。これにより平滑コンデンサ８は、インバータ回路１０の作動による電流を平滑できる。図３における低速循環電流の流れる場合、図４における高速循環電流の流れる場合においても、リレー９は接点
ｂに設定されていても良い。
When charging of the smoothing capacitor 8 is completed, the voltage of the smoothing capacitor 8 is substantially equal to the voltage of the battery 1, so that the relay 9 is set to the contact b as shown in FIG. Thereby, the smoothing capacitor 8 can smooth the current generated by the operation of the inverter circuit 10. When the low-speed circulating current flows in FIG. 3 or when the high-speed circulating current flows in FIG. 4, the relay 9 may be set to the contact b.
尚、スイッチング素子ＹをＯＮにすることで充電電流を流す場合を示したが、スイッチング素子ＺをＯＮにしても良い。また、その両方をＯＮにしても良い。バッテリー１のプラス側に平滑コンデンサ８の一端を接続する場合を示したが、バッテリー１のマイナス側に接続しても良い。この場合、スイッチング素子Ｙに代わりスイッチング素子Ｖ、またはスイッチング素子Ｗ、またはその両方をＯＮして充電電流を流すことになる。 In addition, although the case where the charging current is made to flow by turning on the switching element Y is shown, the switching element Z may be turned on. Both of them may be turned on. Although the case where one end of the smoothing capacitor 8 is connected to the positive side of the battery 1 is shown, it may be connected to the negative side of the battery 1. In this case, instead of the switching element Y, the switching element V, the switching element W, or both are turned on to allow the charging current to flow.
平滑コンデンサ８の他端はリレー９の接点ａを介して、Ｕ相の上アームスイッチング素子Ｕと下アームスイッチング素子Ｘとの接続点に接続される場合を示したが、Ｖ相の上アームスイッチング素子Ｖと下アームスイッチング素子Ｙとの接続点、Ｗ相の上アームスイッチング素子Ｗと下アームスイッチング素子Ｚとの接続点でも良い。 Although the other end of the smoothing capacitor 8 is connected to the connection point between the U-phase upper arm switching element U and the lower arm switching element X via the contact a of the relay 9, the V-phase upper arm switching is shown. A connection point between the element V and the lower arm switching element Y, or a connection point between the W-phase upper arm switching element W and the lower arm switching element Z may be used.
以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、平滑コンデンサの充電用抵抗器が不要であり、小型軽量で信頼性が高く、充電電力の削減ができる。そのため、各種民生用製品、各種産業用機器に適用できる。 As described above, the inverter device according to the present invention does not require a smoothing capacitor charging resistor, is small and lightweight, has high reliability, and can reduce charging power. Therefore, it can be applied to various consumer products and various industrial equipment.
１ バッテリー
２ スイッチング素子
３ ダイオード
４ 固定子巻線
５ 磁石回転子
７ 制御回路
８ 平滑コンデンサ
９ リレー
１０ インバータ回路
１１ モータ
２０ インバータ装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery 2 Switching element 3 Diode 4 Stator winding 5 Magnet rotor 7 Control circuit 8 Smoothing capacitor 9 Relay 10 Inverter circuit 11 Motor 20 Inverter device
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