JP3951759B2 - インバータ装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置及びその制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
インバータ装置は、印加されたDCリンク電圧を交流電圧に変換する装置であり、特に誘導電動機の駆動用として利用される。かかるインバータ装置は、パルス幅制御等を行うことにより、印加されたDCリンク電圧を交流電圧に変換する。その出力電圧は、印加されたDCリンク電圧の電圧値、パルス幅制御におけるオンデューティ等によって決定される。
【0003】
また、インバータ装置には、誘導電動機の定格に応じた出力容量のものが使用される。このインバータ装置の出力容量は、出力電圧と出力電流とによって決定され、インバータ装置に使用する素子の定格も、この出力容量によって決定される。尚、特に誘導電動機駆動用としてのVVVF(可変電圧可変周波数出力)インバータでは、それ以上の出力容量で動作させることも可能なものもある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、インバータ装置の出力電圧が高い場合に、定格値の電流を出力すると、インバータ装置の出力容量は増えてしまう。インバータ装置の出力容量が大きくなると、インバータ装置に内蔵された素子には、その出力容量に応じたものを使用する必要があり、このため、その素子には、定格が1ランク上のものを使用しなければならなくなる。また、ファンにも放熱効果が大きいものが必要となり、インバータ装置が大型化し、コストもアップする。
【0005】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、大型化、コストアップを防止することが可能になるようなインバータ装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の第1の観点に係るインバータ装置は、
直流電源と負荷との間に設けられ、前記負荷への出力電流の定格電流を、前記直流電源から供給された直流電圧の電圧値に応じて設定するインバータ装置であって、
制御信号に基づいて前記直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給する電圧変換部と、
前記制御信号を生成して前記電圧変換部に供給する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記直流電圧の電圧値が第1の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を予め設定された最大出力容量以下に保てる第1の電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第1の閾値を超え且つ第2の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を前記最大出力容量以下の一定値に保つ制御を行うことで得られる電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第2の閾値を超える場合、前記電圧変換部の短時間運転を可能にするために、短時間運転用として、前記第1の電流値よりも低い第2の電流値を定格電流に設定し、
前記電圧変換部の出力電流が前記各定格電流以下になるような前記制御信号を生成して前記電圧変換部に供給することを特徴とする。
【0012】
本発明の第2の観点に係るインバータ装置の制御方法は、
直流電源と負荷との間に設けられ、前記負荷への出力電流の定格電流を、前記直流電源から供給された直流電圧の電圧値に応じて設定するインバータ装置の制御方法であって、
前記インバータ装置は、制御信号に基づいて前記直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給する電圧変換部を備え、
前記直流電圧の電圧値が第1の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を予め設定された最大出力容量以下に保てる第1の電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第1の閾値を超え且つ第2の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を前記最大出力容量以下の一定値に保つ制御を行うことで得られる電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第2の閾値を超える場合、前記電圧変換部の短時間運転を可能にするために、短時間運転用として、前記第1の電流値よりも低い第2の電流値を定格電流に設定するステップと、
前記電圧変換部の出力電流が前記各定格電流以下になるような前記制御信号を生成して前記電圧変換部に供給するステップと、
を含むことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るインバータ装置を図面を参照して説明する。
本実施の形態に係るインバータ装置の構成を図1に示す。
本実施の形態に係るインバータ装置は、出力電圧が方形波となる電圧形インバータであって、直流平滑コンデンサ11と、電圧変換部12と、U相電流検出器13と、V相電流検出器14と、回転子位置検出器15と、DCリンク電圧検出器16と、制御部17と、を備えて構成されている。
【0014】
直流平滑コンデンサ11は、直流電源18の直流電圧を平滑化するためのものである。
【0015】
電圧変換部12は、直流平滑コンデンサ11が平滑化したDCリンク電圧を、制御部17から供給された電圧指令値に基づいて交流電圧に変換するものであり、トランジスタQ1〜Q6と、ダイオードD1〜D6と、を備えている。尚、このトランジスタQ1〜Q6には、IGBT(Injection Enhanced Gate Transistor)等が用いられる。
【0016】
トランジスタQ1〜Q6は、制御部17から供給されたパルス信号に基づいてスイッチングするスイッチング素子であり、トランジスタQ1、Q3,Q5のコレクタは、直流平滑コンデンサ11の正極に接続されている。トランジスタQ2,Q4,Q6のコレクタは、それぞれトランジスタQ1,Q3,Q5のエミッタに接続され、エミッタは、それぞれ、直流平滑コンデンサ11の負極に接続される。
【0017】
トランジスタQ1のエミッタとトランジスタQ2のコレクタとの接続点には、誘導電動機19のU相巻線が接続され、トランジスタQ3のエミッタとトランジスタQ4のコレクタとの接続点には、V相巻線が接続され、トランジスタQ5のエミッタとトランジスタQ6のコレクタとの接続点には、W相巻線が接続される。
【0018】
ダイオードD1〜D6は、トランジスタQ1〜Q6のターンオフした場合に出力電流を転流させるためのダイオードである。ダイオードD1〜D6のカソードは、ぞれぞれ、トランジスタQ1〜Q6のコレクタに接続され、アノードは、それぞれ、トランジスタQ1〜Q6のエミッタに接続されている。
電圧変換部12は、変換した交流電圧を3相の誘導電動機(図中、「IM」と記す。)19に印加する。
【0019】
U相電流検出器13、V相電流検出器14は、それぞれ誘導電動機19のU相、W相の一次巻線(固定子巻線)に供給される電流の電流値Iu、Iwをそれぞれ検出する。
【0020】
回転子位置検出器15は、誘導電動機19の固定子の巻線軸(例えば、U相の巻線軸を基準軸とする。)に対する回転子軸の回転角を検出する。
【0021】
DCリンク電圧検出器16は、直流平滑コンデンサ11が平滑化した直流電圧の電圧値Vdcを検出するものである。
【0022】
制御部17は、U相電流検出器13、V相電流検出器14から、それぞれ電流値Iu,Ivを取得し、取得した電流値Iu,Ivに基づいて電圧変換部12を制御する。尚、本実施の形態では、制御方法としてベクトル制御を用いるものとする。
【0023】
ベクトル制御を行う場合、制御部17は、三相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を演算する。VVVFインバータの場合、制御部17は、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に基づいて周波数を設定し、この周波数に基づくパルス信号を生成する。そして、制御部17は、このパルス信号を電圧変換部12に出力する。
【0024】
また、制御部17は、インバータ装置の出力電力が最大出力容量(最大出力電力)を超えないような制御を行う。前述のように、インバータ装置の出力容量は、出力電圧と出力電流とに基づいて求められる。出力電圧の検出は困難であるため、制御部17は、DCリンク電圧の電圧値Vdcに基づいて、インバータ装置の出力電力が最大出力容量(最大出力電力)を超えないように、連続運転が可能な範囲において出力容量が一定となるような制御を行う。
【0025】
このような制御を行うため、DCリンク電圧Vdcの電圧値に閾値Vdc1,Vdc2が設定される。閾値Vdc1は、インバータ装置の最大出力容量に対応する閾値であって、容量一定制御に切り換えるための閾値であり、閾値Vdc2は、連続運転が可能な範囲を示す閾値である。制御部17は、メモリを備え、このメモリに閾値Vdc1、Vdc2を予め記憶する。
【0026】
次に本実施の形態に係るインバータ装置の動作を説明する。
直流平滑コンデンサ11は、直流電源18の直流電圧を平滑化する。電圧変換部12のトランジスタQ1〜Q6には、直流平滑コンデンサ11によって平滑化されたDCリンク電圧が印加される。DCリンク電圧検出器16は、このDCリンク電圧の電圧値Vdcを検出する。
【0027】
トランジスタQ1〜Q6がオン、オフすることによって、交流電圧が生成され、誘導電動機19のU,V,W相の各巻線に電流が流れる。U相電流検出器13、V相電流検出器14は、それぞれ、誘導電動機19のU,V相の各巻線に流れる電流の電流値Iu,Ivを検出する。
【0028】
ベクトル制御を行う場合、制御部17は、電流値Iu,Ivを、それぞれ、U相電流検出器13、V相電流検出器14から取得し、回転子位置を回転子位置検出器15から取得する。尚、W相の電流の電流値Iwは、三相平衡という条件に基づいて電流値Iuと電流値Ivとから算出される。
【0029】
制御部17は、回転子位置を用いて、固定子軸を観測座標とする静止座標系の電流値Iu,Iv,Iwの座標変換を行い、回転子軸を観測座標とする回転座標系の励磁電流値Idとトルク電流値Iqとを求める。
【0030】
また、励磁電流の電流指令値Id*とトルク電流の電流指令値Iq*とが設定されると、制御部17は、励磁電流の電流指令値Id*と励磁電流値Idとの偏差edと、トルク電流の電流指令値Iq*とトルク電流値Iqとの偏差eqと、を求める。
【0031】
制御部17は、偏差ed、eqを求めると、求めた偏差ed、eqのPI(比例積分)演算等を行い、それぞれ偏差ed、eqが零となるような電圧指令値Vd*、Vq*を求める。
【0032】
そして、制御部17は、回転子位置に基づいて、電圧指令値Vd*、Vq*の静止座標系への座標変換を行い、三相電圧指令値Vu*,Vv*,Vwu*を求める。
PWM(Pulse Width Modulation)制御を行う場合、制御部17は、求めた各電圧指令値Vu*,Vv*,Vwu*に基づいてパルス信号を生成し、このパルス信号を電圧変換部12のトランジスタQ1〜Q6のベースに出力する。
【0033】
トランジスタQ1〜Q6は、制御部17から供給されたパルス信号に基づいてオン、オフする。
トランジスタQ1、Q6がオン、トランジスタQ2〜Q5がオフすると、直流平滑コンデンサ11の正極からトランジスタQ1、誘導電動機19のU相巻線、W相巻線、トランジスタQ6を経由して直流平滑コンデンサ11の負極へと電流が流れる。
【0034】
また、トランジスタQ3、Q6がオン、トランジスタQ1,Q2,Q4,Q5がオフすると、直流平滑コンデンサ11の正極からトランジスタQ3、誘導電動機19のV相巻線、W相巻線、トランジスタQ6を経由して直流平滑コンデンサ11の負極へと電流が流れる。このようにして交流電圧が生成され、誘導電動機19のU,V,W相の各巻線には、交流電流が流れる。
【0035】
また、制御部17は、インバータ装置の出力容量が最大出力容量を超えないように、DCリンク電圧検出器16が検出したDCリンク電圧Vdcの電圧値に基づいて定格電流Irの電流値を設定する。ここで、定格電流とは、インバータ装置の出力電流の設計上の限度をいう。
【0036】
この制御部17の動作を図2のフローチャートに示す。
制御部17は、メモリから閾値Vdc1とVdc2とを取り出す(ステップS11)。
制御部17は、U相電流検出器13から取得した電流値Iuに基づいて、メモリから取り出した閾値Vdc1とVdc2との電圧ドロップ補償を行う(ステップS12)。この電圧ドロップ補償は、IGBT等のスイッチング素子によるドロップ電圧を補償するためのものである。
制御部17は、まず、ドロップ電圧Vdropを、以下の式(1)に基づいて演算する。
【0037】
【数1】
Vdrop=kd×Iout+b・・・(1)
式(1)において、kdは、IGBT等のスイッチング素子の損失に起因する装置電圧降下係数であり、図3に示すような、スイッチング素子の電流と電圧との関係から求められる。Ioutは、電圧変換部12から出力される出力電流の値であり、U相電流検出器13、V相電流検出器14が検出した電流値に基づいて求められる。bはバイアスである。
【0038】
また、制御部17は、求めたドロップ電圧Vdropに基づいて閾値Vdc1,Vdc2の電圧ドロップ補償を行い、次の式(2)、(3)に基づいて、それぞれ、閾値Vdc11,Vdc12を求める。
【数2】
Vdc11=Vdc1+Vdrop・・・(2)
【数3】
Vdc12=Vdc2+Vdrop・・・(3)
【0039】
次に、制御部17は、DCリンク電圧検出器16からDCリンク電圧Vdcの電圧値を取得する(ステップS13)。
制御部17は、電圧ドロップ補償を行った閾値Vdc11,Vdc12と、DCリンク電圧検出器16から取得した電圧値Vdcと、を比較する(ステップS14)。
【0040】
制御部17は、電圧値Vdcが閾値Vdc11を超えているか否かを判定する(ステップS15)。
【0041】
電圧値Vdcが閾値Vdc11を超えていなければ(Vdc≦Vdc11)、誘導電動機19に定格電流が流れてもインバータ装置の最大出力容量を超えることはない。従って、制御部17は、電圧値Vdcが閾値Vdc11を超えていないと判定した場合(ステップS15においてNo)、定格電流Irを一定値Irefに設定する(ステップS16)。
【0042】
電圧値Vdcが閾値Vdc11を超えていると判定した場合(ステップS15においてYes)、制御部17は、電圧値Vdcが閾値Vdc12以下であるか否かを判定する(ステップS17)。
【0043】
電圧値Vdcが閾値Vdc12以下の場合(Vdc11<Vdc≦Vdc12)、インバータ装置の連続運転は可能ではあっても、インバータ装置に、電流値Irefの電流が流れると最大出力容量を超えてしまう。従って、制御部17は、電圧値Vdcが閾値Vdc12以下であると判定した場合(ステップS17においてYes)、電圧値Vdcに基づいて、インバータ装置の出力容量が一定値となるように、定格電流Irを、電流値Irefから低減する(ステップS18)。
【0044】
この定格電流Irを求めるため、制御部17は、まず、電流値Irefから低減する電流値Iaを次の式(4)に基づいて求める。
【数4】
Ia=Iref×(Pout/(Vdc11×k))・・・(4)
式(4)において、Poutは、最大出力容量を示し、kは出力容量に応じて設定される容量係数を示す(0≦k≦1)。尚、3相の場合、各相の電力に、3の平方根を乗算した値が最大出力容量Poutとなる。
【0045】
そして、制御部17は、次の式(5)に基づいて出力容量が一定となるような定格電流Irを求める。
【数5】
Ir=Iref−Ia・・・(5)
【0046】
次に、電圧値Vdcが閾値Vdc12を超えている場合(Vdc12<Vdc)、定格電流Irの電流値を低減させたとしてもインバータ装置の連続運転を行うとインバータ装置の出力電力は、最大出力容量を超えてしまう。従って、制御部17は、電圧値Vdcが閾値Vdc12を超えていると判定した場合(ステップS17においてNo)、定格電流Irを不連続運転用の一定値Idecに設定する。(ステップS19)。
【0047】
ベクトル制御を行う場合、制御部17は、ステップS16,18,19において設定した定格電流Irを超えないように、励磁電流の電流指令値Id*とトルク電流の電流指令値Iq*とを設定する。
制御部17は、このような制御を行うことにより、インバータ装置は、図4に示すような特性を有することになる。
【0048】
Vdc≦Vdc11の場合(図中、▲1▼と記す。)、定格電流Irは電流値Irefに設定される。誘導電動機19に電流値Irefの電流が流れてもインバータ装置の出力容量は、最大出力容量を超えることはない。
【0049】
Vdc11<Vdc≦Vdc12の場合(図中、▲2▼と記す。)、定格電流Irは、電圧値Vdcに応じ、式(5)に従って低減され、インバータ装置の出力容量は最大出力容量を超えないようになる。
【0050】
Vdc12<Vdcの場合(図中、▲3▼と記す。)、定格電流Irが電流値Idecとなるので、連続運転を行うことはできず、インバータ装置は不連続で運転される。
【0051】
尚、電圧値Vdcが電圧限界値Vsvまであれば、インバータ装置を短時間で運転することができ、不連続運転であっても、インバータ装置の運転可能な範囲は、最大電圧値Vovまでである。
【0052】
以上説明したように、本実施の形態によれば、制御部17は、DCリンク電圧Vdcに基づいてインバータ装置の出力電力が最大出力容量を超えないように定格電流を設定し、電圧変換部12を制御するようにした。
【0053】
従って、電圧値Vdcが定格電圧よりも高くなるような条件であっても、トランジスタQ1〜Q6等のスイッチング素子には、インバータ装置の出力容量以下のものを使用して、しかもインバータ装置を保護しつつ従来と同じ特性を得ることができる。また、その放熱器、ファン等もインバータ装置の出力容量以上の大型のものを使用せずに済み、装置の大型化、コストアップを防止することができる。また、装置の熱損失、温度上昇を低減でき、信頼性を高めることができる。
【0054】
また、既存のソフトウェアを変更するだけなので、ハードウェアの変更を伴わずに、このような制御を実施することができる。
【0055】
尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、インバータ装置は、電圧形インバータに限られるものではなく、出力電流が方形波となる電流形インバータにも適用できる。
【0056】
本実施の形態では、電流値Vdcに基づいて容量が一定となるような制御を行うようにした、しかし、出力電圧の検出が可能であれば、この出力電圧に基づいて容量一定制御を行うことができる。また、必ずしも容量を一定にする必要はなく、最大出力容量を超えないように制御すればよい。
【0057】
また、電圧変換部12のトランジスタQ1〜Q6には、電力容量に応じてトランジスタ、FET(電界効果トランジスタ)、サイリスタ等を使用することができる。
【0058】
また、誘導電動機19は3相のものだけでなく、2相のものであってもよいし、あるいは3相を超える多相のものであってもよい。さらに誘導電動機ではなく、動機電動機を用いることもできる。
また、誘導電動機の速度制御は、ベクトル制御に限られるものではなく、1次周波数制御、電圧/周波数制御等を用いることもできる。
【0059】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大型化、コストアップを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るインバータ装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1の制御部の動作を示すフローチャートである。
【図3】演算に用いる係数の内容を示す説明図である。
【図4】図1のインバータ装置の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
12 電圧変換部
13 U相電流検出器
14 V相電流検出器
16 DCリンク電圧検出器
17 制御部
19 誘導電動機
Claims (2)
- 直流電源と負荷との間に設けられ、前記負荷への出力電流の定格電流を、前記直流電源から供給された直流電圧の電圧値に応じて設定するインバータ装置であって、
制御信号に基づいて前記直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給する電圧変換部と、
前記制御信号を生成して前記電圧変換部に供給する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記直流電圧の電圧値が第1の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を予め設定された最大出力容量以下に保てる第1の電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第1の閾値を超え且つ第2の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を前記最大出力容量以下の一定値に保つ制御を行うことで得られる電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第2の閾値を超える場合、前記電圧変換部の短時間運転を可能にするために、短時間運転用として、前記第1の電流値よりも低い第2の電流値を定格電流に設定し、
前記電圧変換部の出力電流が前記各定格電流以下になるような前記制御信号を生成して前記電圧変換部に供給することを特徴とするインバータ装置。 - 直流電源と負荷との間に設けられ、前記負荷への出力電流の定格電流を、前記直流電源から供給された直流電圧の電圧値に応じて設定するインバータ装置の制御方法であって、
前記インバータ装置は、制御信号に基づいて前記直流電圧を交流電圧に変換して前記負荷に供給する電圧変換部を備え、
前記直流電圧の電圧値が第1の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を予め設定された最大出力容量以下に保てる第1の電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第1の閾値を超え且つ第2の閾値以下の場合、前記電圧変換部の連続運転を可能にするために、前記電圧変換部の出力容量を前記最大出力容量以下の一定値に保つ制御を行うことで得られる電流値を定格電流に設定し、
前記直流電圧の電圧値が前記第2の閾値を超える場合、前記電圧変換部の短時間運転を可能にするために、短時間運転用として、前記第1の電流値よりも低い第2の電流値を定格電流に設定するステップと、
前記電圧変換部の出力電流が前記各定格電流以下になるような前記制御信号を生成して前記電圧変換部に供給するステップと、
を含むことを特徴とするインバータ装置の制御方法。
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