JP3633564B2

JP3633564B2 - 誘導機駆動用インバータ装置

Info

Publication number: JP3633564B2
Application number: JP2002022332A
Authority: JP
Inventors: 宣之小林; 康松本; 与貴西嶋
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: JP2003230293A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導電動機を駆動する誘導機駆動用インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導機駆動用インバータ装置としては、例えば図７に示す構成のインバータ装置が提案されている。
このインバータ装置は、直流電源１に４つのトランジスタ等の半導体スイッチング素子をＨブリッジ状に接続したインバータ２と、このインバータ２の出力端子ｔ_Ｏ１及びｔ_Ｏ２に接続された単相誘導電動機３と、出力端子ｔ_Ｏ１及びｔ_Ｏ２と単相誘導電動機３との間に接続されたリアクトル４及びコンデンサ５とで構成されるフィルタ回路６とで構成されている。
【０００３】
インバータ２は、直流電源１に直列に接続された２つのスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と、これらスイッチング素子Ｑ１及びＱ２と並列に接続された２つのスイッチング素子Ｑ３及びＱ４と、こさらスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に夫々逆並列に接続されたダイオードＤ１〜Ｄ４とを有し、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の接続点から出力端子ｔ_Ｏ１が導出され、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４の接続点から出力端子ｔ_Ｏ２が導出された構成を有する。
【０００４】
そして、インバータ２の各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートに、これらスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン・オフ制御する制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４が制御回路７から供給される。ここで、制御回路７は、運転処理部８と制御パルス生成部９とで構成されている。運転処理部８に運転指令が入力されると、運転処理部８から“０”から定格電圧指令値まである期間をかけて増加する出力電圧指令値Ｖ０^＊を制御パルス生成部９に出力する。制御パルス生成部９は、入力される出力電圧指令Ｖ０^＊に基づき制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４を生成し、これをインバータ２に出力する。また、運転処理部８に停止指令が入力されると、運転処理部８から制御パルス生成部９に対して停止信号Ｐ_ＯＦＦを出力する。制御パルス生成部９は、停止信号Ｐ_ＯＦＦが入力されると、制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４を全てオフレベルで出力し、インバータ２を停止させる。
【０００５】
この制御パルス生成部９から出力される制御パルス信号Ｇ１及びＧ２は両者がオフする所謂デットタイムを挟んで交互にオン状態に制御され、同様に制御パルスＧ３及びＧ４も両者がオフするデッドタイムを挟んで交互にオン状態に制御される。したがって、制御パルス信号Ｇ１及びＧ４がオン状態であるときにインバータ出力Ｖ１に正の電圧＋Ｖｄが、制御パルス信号Ｇ２及びＧ３がオン状態であるときにインバータ出力Ｖ１に負の電圧−Ｖｄが、これら以外のときにインバータ出力Ｖ１に０Ｖが出力される。
【０００６】
この結果、インバータ２に制御回路７から図８（ａ）〜（ｄ）に示す制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４を供給することにより、インバータ２の出力電圧Ｖ１は図８（ｄ）に示すように正負のパルス信号が出力され、これがフィルタ回路６に供給されて、図８（ｆ）に示すように滑らかな交流電流Ｉ１に変換されることにより、単相交流誘導機３の端子電圧Ｖｏは図８（ｇ）に示すように単相交流電圧となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の誘導機駆動用インバータ装置にあっては、インバータ２を停止させると、電動機として動作していた誘導機が発電機として動作する。この状態でインバータ２を再起動すると、誘導機の発電電圧とインバータの出力電圧の電位差により、インバータ２に過大な電流が流れ、装置が異常停止するか最悪の場合は装置が破損するという未解決の課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、インバータを停止状態とした後に再起動したときに、安全且つ確実にインバータを再起動するとこができる誘導機駆動用インバータ装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段課題】
上記目的を達成するために、請求項１に係る誘導機駆動用インバータ装置は、誘導電動機に交流電圧を供給するインバータと、該インバータ及び誘導電動機間に介挿されたコンデンサを含むフィルタ回路と、前記インバータの出力電圧を制御する制御回路とを備えた誘導機駆動用インバータ装置において、前記制御回路は、前記インバータを停止させる際に、当該インバータの出力電圧を零ボルトに絞り込んで前記コンデンサによる発電動作を抑制する電圧絞込手段を備えていることを特徴としている。
【００１０】
この請求項１に係る発明では、誘導機の発電動作は、誘導機負荷の回転エネルギと誘導機内部の磁束との作用によりなされ、これらの何れか一方でもなくなると、誘導機は発電動作しないことに着目したものであり、インバータが停止した際に、電動機として動作していた誘導機が発電機として動作するが、インバータの出力側にフィルタコンデンサと誘導機とが並列に接続されている場合、誘導機から流れ出る発電電流即ち固定子電流は、インバータの出力端に接続されたフィルタコンデンサにのみ流れるため、発電動作する誘導機にとって無効電流となる。このため、固定子電流は速やかに減衰せず、固定子電流が誘導機内部に作る磁束と誘導機負荷の回転エネルギの作用により発電動作が継続し、誘導機の誘起電圧が速やかに減衰しない。
【００１１】
この誘導機の誘起電圧を速やかに減衰させるには、インバータ停止時に誘導機内部の磁束を“０”即ち誘導機端子電圧を０Ｖとすることが有効であり、インバータ装置を停止させる前に、電圧絞込手段で、インバータ出力電圧を０Ｖまで絞り込み、発電電圧とインバータ出力電圧の電位差により、発電電力を直流電圧源に回生することで可能となる。
【００１２】
また、請求項２に係る誘導機駆動用インバータ装置は、誘導電動機に交流電圧を供給するインバータと、該インバータ及び誘導電動機間に介挿されたコンデンサを含むフィルタ回路と、前記インバータの出力電圧を制御する制御回路とを備えた誘導機駆動用インバータ装置において、前記制御回路は、前記インバータを停止させる際に、当該インバータの出力電圧を零ボルトに絞り込んで前記コンデンサによる発電動作を抑制する電圧絞込手段と、該電圧絞込手段で出力電圧の絞り込みが終了した時点で前記インバータ出力を短絡させる短絡処理手段とを備えていることを特徴としている。
【００１３】
この請求項２に係る発明では、インバータの停止時に、短絡処理手段でインバータの出力を短絡し、誘導機の発電電力をインバータの主回路の抵抗成分で消費させることにより、誘導機の誘起電圧を速やかに減衰させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を示すブロック図であり、前述した従来例と同様に、直流電源１に４つの半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４でＨブリッジを構成したインバータ２が接続され、このインバータ２の出力端子ｔ_０１及びｔ_０２にフィルタ回路６を介して単相誘導電動機３が接続されている。
【００１５】
本実施形態では、インバータ２を制御する制御回路７が図１に示すように、運転指令及び停止指令が入力される運転処理部８と制御パルス生成部９とを有する他、運転処理部８から出力ささる出力電圧指令Ｖ０^＊に減衰係数Ｋを乗算した乗算値を制御パルス生成部９に供給する乗算器１１と、運転処理部８から出力される停止信号Ｐ_ＯＦＦが入力され、この停止信号Ｐ_ＯＦＦがオフ状態であるときに減衰係数Ｋを“１”に設定して乗算器１１に出力し、停止信号Ｐ_ＯＦＦがオン状態であるときに減衰係数Ｋを“１”から“０”まで徐々に低下させ、減衰係数Ｋが“０”となったときに、パルスオフ指令Ｐ_ＯＦＦ１を制御パルス生成部９に出力する電圧絞込部１２とを備えている。
【００１６】
電圧絞込部１２は、例えば図２に示す電圧絞込処理を所定時間毎にタイマ割込処理として実行する。この電圧絞込処理は、先ず、ステップＳ１で、運転処理部８から出力される停止信号Ｐ_ＯＦＦがオン状態であるか否かを判定し、これがオフ状態であるときにはステップＳ２に移行して、減衰係数Ｋを“１”に設定し、次いでステップＳ３に移行して、設定した減衰係数Ｋを乗算器１１に出力してからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
【００１７】
また、ステップＳ１の判定結果が、停止信号Ｐ_ＯＦＦが状態であるときには、ステップＳ４に移行して、現在の減衰係数Ｋから予め設定した減少量ΔＫを減算した値を新たな減衰係数Ｋとして算出してからステップＳ５に移行し、減衰係数Ｋが“０”となったか否かを判定し、Ｋ＞０であるときにはそのまま前記ステップＳ３に移行し、Ｋ＝０であるときにはステップＳ６に移行して、制御パルス生成部９に対して停止信号Ｐ_ＯＦＦ１を出力してからステップＳ３に移行する。
【００１８】
次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
制御回路７の運転処理部８に運転指令が入力されているときには、この運転処理部８から運転指令に応じた出力電圧指令Ｖ０^＊が乗算器１１に出力され、停止信号Ｐ_ＯＦＦがオフ状態に制御されることにより、電圧絞込部１２でステップＳ１からステップＳ２に移行することにより、減衰係数Ｋが“１”に設定され、これがステップＳ３で乗算器１１に出力される。
【００１９】
このため、乗算器１１では、出力電圧指令Ｖ０^＊に“１”の減衰係数Ｋを乗算することにより、出力電圧指令Ｖ０^＊と等しい出力電圧指令Ｖ１^＊を制御パルス生成部９に出力することにより、この制御パルス生成部９から前述した従来例と同様に図３（ａ）〜（ｄ）に示す制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４を生成し、これらをインバータ２の各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に出力する。
【００２０】
このため、インバータ２の出力端子ｔ_０１及びｔ_Ｏ２から図３（ｅ）に示す出力電圧Ｖ１が出力され、これがフィルタ回路６に供給されることにより、図３（ｆ）に示す滑らかな交流電流Ｉ１が形成され、これがフィルタ用コンデンサ５と単相誘導電動機３とに分流される。これにより、単相誘導電動機３の端子電圧Ｖ０は図３（ｇ）に示すように交流電流Ｉ１より位相が進んだ交流電圧となり、単相電動機３が回転駆動される。
【００２１】
この状態から、時点ｔ１で、運転処理部８に停止指令が入力されると、この運転処理部８からオン状態の停止信号Ｐ_ＯＦＦが電圧絞込処理部１２に出力される。この電圧絞込処理部１２では、停止信号Ｐ_ＯＦＦがオン状態となることにより、ステップＳ１からステップＳ４に移行して、減衰係数Ｋが減少量ΔＫだけ減少された新たな減衰係数Ｋが算出され、これが乗算器１１に出力されることにより、この乗算器１１で運転処理部８から出力される出力電圧指令Ｖ０^＊に減衰係数Ｋを乗算することにより、出力電圧指令Ｖ０^＊より小さい値の出力電圧指令Ｖ１^＊を算出し、これを制御パルス生成部９に出力する。
【００２２】
このため、制御パルス生成部９から出力される各制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４のデューティ比（オン期間／オフ期間）が１に近づくことにより、インバータ２の出力端子ｔ_０１及びｔ_０２から出力される出力電圧Ｖ１のデューティ比も図３（ｅ）に示すように定格電圧指令値から徐々に小さくなり、インバータ２の出力電圧Ｖ１と単相誘導電動機３の端子電圧Ｖ_０との電位差により、誘導電動機３の発電電力を直流電源１に回生することで、誘導電動機３の内部磁束を“０”とし、発電動作を抑制して誘導電動機の端子電圧を図３（ｇ）に示すように速やかに０Ｖとすることができる。
【００２３】
そして、減衰係数Ｋが“０”となると、乗算器１１から出力される出力電圧指令Ｖ１^＊も“０”となり、この時点で電圧絞込処理部１２から停止信号Ｐ_ＯＦＦ１が制御パルス生成部９に出力されて、各制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４がオフ状態に制御される。
その後、再度運転処理部８に運転指令が入力されると、出力電圧指令Ｖ０^＊が乗算器１１に出力されると共に、停止信号Ｐ_ＯＦＦがオフ状態となることから、電圧絞込処理部１２から“１”減衰係数Ｋが乗算器１１に出力され、且つ停止信号Ｐ_ＯＦＦ１がオフ状態となることにより、制御パルス生成部９でステップＳ１１からステップＳ１２に移行し、入力される出力電圧指令Ｖ１^＊に応じた制御パルスＧ１〜Ｇ４を生成して、これらをインバータ２に出力することにより、インバータ２から出力電圧Ｖ１を出力して、単相誘導電動機３を再起動する。このとき、単相誘導電動機３の端子電圧Ｖ_０が０Ｖであるので、インバータ２に過大な電流が流れることなく、安全且つ確実にインバータを再起動することができる。
【００２４】
このように、第１の実施形態によると、運転停止時に電圧絞込処理部１２で、インバータ２の出力電圧を絞込むことにより、誘導機の発電動作を抑制することができ、インバータ２の再起動時に誘導電動機３の発電電圧とインバータ２の出力電圧との電位差で生じるインバータ装置に流れる過大電流を確実に防止することができる。
【００２５】
なお、上記第１の実施形態においては、乗算器１１を使用して出力電圧指令Ｖ０^＊を徐々に減少させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、出力電圧指令Ｖ０^＊から所定減少量ΔＶ０を減少させた値を新たな出力電圧指令Ｖ０^＊として算出するようにしてもよい。
次に、本発明の第２の実施形態を図４〜図６について説明する。
【００２６】
この第２の実施形態では、インバータ出力を０Ｖまで減少させた後に、インバータ２を短絡制御するようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図４に示すように、前述した第１の実施形態における図１の制御パルス生成部９に短絡処理手段としての短絡処理部１３が設けられていることを除いては第１の実施形態と同様の構成を有し、図１との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
【００２７】
ここで、制御パルス生成部９は、図５に示す制御処理をタイマ割込処理として実行する。この制御処理は、先ず、ステップＳ１１で、電圧絞込処理部９から出力される停止信号Ｐ_ＯＦＦ１がオン状態となったか否かを判定し、これがオフ状態であるときにはステップＳ１２に移行して、乗算器１１から入力される出力電圧指令Ｖ１^＊に応じたデューティ比の制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４を形成するパルス生成処理を行い、次いでステップＳ１３に移行して、形成した制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４をインバータ２の各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に出力してからタイマ割込処理を終了して所定のメインプログラムに復帰する。
【００２８】
また、ステップＳ１１の判定結果が、停止信号Ｐ_ＯＦＦ１がオン状態となったときには、ステップＳ１４に移行して、制御パルス信号Ｇ２及びＧ４をオン状態に設定し、制御パルス信号Ｇ１及びＧ３をオフ状態に設定する短絡処理を行ってから前記ステップＳ１３に移行する。
この図５の処理において、ステップＳ１１、Ｓ１３及びＳ１４の処理が短絡処理部に対応している。
【００２９】
次に、上記第２の実施形態の動作を説明する。
運転処理部８に運転指令が入力されている状態では、この運転処理部８から出力電圧指令Ｖ０^＊が乗算器１１に出力され、このとき停止信号Ｐ_ＯＦＦがオフ状態であるので、電圧絞込処理部１２から“１”の減衰係数Ｋが乗算器１１に出力されていることにより、出力電圧指令Ｖ０^＊と等しい出力電圧指令Ｖ１^＊が制御パルス生成部９に入力される。
【００３０】
この制御パルス生成部９では、電圧絞込処理部１２から出力される停止信号Ｐ_ＯＦＦ１がオフ状態であるので、ステップＳ１１からステップＳ１２に移行して、乗算器１１から入力された出力電圧指令Ｖ１^＊に応じた図６（ａ）〜（ｄ）に示す制御パルス信号Ｇ１〜Ｇ４を生成して、これらをインバータ２の各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に出力することにより、このインバータ２から図６（ｅ）に示す出力電圧Ｖ１が出力され、これに応じて図６（ｆ）に示す交流電流Ｉ１がフィルタ用コンデンサ５と単相誘導電動機３と分流される。
【００３１】
このとき、誘導電動機３の端子電圧Ｖ_０は図６（ｇ）に示すように、所定振幅で交流電流より位相が進んだ交流波形となり、これによって誘導電動機３が回転駆動される。
この誘導電動機３の回転駆動状態から運転処理部８に停止指令が入力されると、前述した第１の実施形態と同様に、電圧絞込処理部１２で減衰係数Ｋが“１”から“０”まで徐々に減少されることにより、誘導電動機３の端子電圧Ｖ_０が０Ｖまで減少される。
【００３２】
その後、減衰係数Ｋが“０”となって、電圧絞込処理部１２から停止信号Ｐ_ＯＦＦ１が制御パルス生成部９に出力されると、この制御パルス生成部９で、図５のステップＳ１１からステップＳ１４に移行して、制御パルス信号Ｇ２及びＧ４をオン状態に設定し、制御パルス信号Ｇ１及びＧ３をオフ状態に設定し、これをインバータ２に出力することにより、インバータ２の出力が、半導体スイッチ素子Ｇ２及びＧ４を介して短絡される。
【００３３】
このとき、単相誘導電動機３の端子電圧Ｖ_０が正である場合、半導体スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ４とが導通し、端子電圧Ｖ_０が負である場合、ダイオードＤ２と半導体スイッチング素子Ｑ４とが導通することで短絡電流が流れる。このため、単相誘導電動機３で発生される発電エネルギが短絡回路の抵抗成分による熱損失として消費され、単相誘導電動機３の端子電圧Ｖ_０を速やかに０Ｖまで減衰させることができる。
【００３４】
その後、再度運転処理部８に運転指令が入力されると、出力電圧指令Ｖ０^＊が乗算器１１に出力されると共に、停止信号Ｐ_ＯＦＦがオフ状態となることから、電圧絞込処理部１２から“１”の減衰係数Ｋが乗算器１１に出力され、且つ停止信号Ｐ_ＯＦＦ１がオフ状態となることにより、制御パルス生成部９でステップＳ１１からステップＳ１２に移行し、入力される出力電圧指令Ｖ１^＊に応じた制御パルスＧ１〜Ｇ４を生成して、これらをインバータ２に出力することにより、インバータ２から出力電圧Ｖ１を出力して、単相誘導電動機３を再起動する。このとき、単相誘導電動機３の固定子電流が０Ａとなり、且つ出力電圧Ｖ_０が０Ｖであるので、インバータ２に過大な電流が流れることなく、安全且つ確実にインバータを再起動することができる。
【００３５】
このように第２の実施形態によると、誘導電動機の停止におけるインバータ出力電圧絞込動作とインバータ出力短絡制御により、単相誘導電動機３の発電動作を確実に停止させることができ、再起動時において、単相誘導電動機の発電電圧とインバータ２の出力電圧との電位差で生じていたインバータ２に流れる過大な電流をより確実に防止することができる。
【００３６】
なお、上記第２の実施形態においては、インバータ２の半導体スイッチング素子Ｑ２及びＱ４をオン状態とすることにより短絡回路を構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、半導体スイッチング素子Ｑ１及びＱ３をオン状態に制御し、半導体スイッチング素子Ｑ２及びＱ４をオフ状態に制御することにより、半導体スイッチング素子Ｑ１及びＱ３とダイオードＤ１及びＤ３とで短絡回路を構成するようにしても上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００３７】
また、上記第２の実施形態においては、インバータ２を構成する半導体スイッチング素子を使用して短絡回路を構成する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、別途インバータ２の出力端子ｔ_Ｏ１及びｔ_Ｏ２間に短絡回路を接続するようにしてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、インバータ停止時に、インバータ出力電圧を電圧絞込手段で０Ｖに絞り込むようにしたので、インバータ出力電圧と誘導機の発電電圧との電位差により発電電力を直流電源に回生させ、誘導機内部の磁束を“０”とすることができ、誘導電動機の発電動作を抑制して、誘導電動機の発電電圧の影響を受けることなく、安全且つ確実にインバータを再起動することができるという効果が得られる。
【００３９】
また、請求項２に係る発明によれば、インバータ停止時にインバータ出力電圧を電圧絞込手段で０Ｖに絞り込むと共に、絞込みが終了した時点でインバータ出力を短絡処理手段で短絡させるようにしたので、請求項１に係る発明の効果に加えて、インバータ出力を短絡することで、誘導電動機の発電エネルギを短絡回路の抵抗成分による熱損失として消費することができ、誘導電動機の発電動作を確実に抑制して、誘導電動機の発電電圧の影響を受けることなく、安全且つ確実にインバータを再起動することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】第１の実施形態における電圧絞込回路の電圧絞込処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態の動作の説明に供する各部の信号波形を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す構成図である。
【図５】第２の実施形態における制御パルス生成部の制御処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施形態の動作の説明に供する各部の信号波形を示すタイムチャートである。
【図７】従来例を示す構成図である。
【図８】従来例の動作の説明に供する各部の信号波形を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１直流電圧源
２インバータ
Ｑ１〜Ｑ４半導体スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ４ダイオード
３単相誘導電動機
４リアクトル
５コンデンサ
６フィルタ回路
７制御回路
８運転処理部
９制御パルス生成部
１１乗算器
１２電圧絞込処理部
１３短絡処理部

Claims

誘導電動機に交流電圧を供給するインバータと、該インバータ及び誘導電動機間に介挿されたコンデンサを含むフィルタ回路と、前記インバータの出力電圧を制御する制御回路とを備えた誘導機駆動用インバータ装置において、
前記制御回路は、前記インバータを停止させる際に、当該インバータの出力電圧を零ボルトに絞り込んで前記コンデンサによる発電動作を抑制する電圧絞込手段を備えていることを特徴とする誘導機駆動用インバータ装置。
誘導電動機に交流電圧を供給するインバータと、該インバータ及び誘導電動機間に介挿されたコンデンサを含むフィルタ回路と、前記インバータの出力電圧を制御する制御回路とを備えた誘導機駆動用インバータ装置において、
前記制御回路は、前記インバータを停止させる際に、当該インバータの出力電圧を零ボルトに絞り込んで前記コンデンサによる発電動作を抑制する電圧絞込手段と、該電圧絞込手段で出力電圧の絞り込みが終了した時点で前記インバータ出力を短絡させる短絡処理手段とを備えていることを特徴とする誘導機駆動用インバータ装置。