JP3968563B2 - 電圧形ｐｗｍインバータの電流検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電圧から交流電圧を得る電圧形ＰＷＭインバータの交流出力電流成分を検出するための電流検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電圧形ＰＷＭインバータの交流出力電流を直流側電流から検出する方法としては、特開２０００−３５４３８０号公報に記載されたモータ制御装置のように、インバータの直流側に接続したシャント抵抗を平滑して第１の電圧平滑値を得ると共に、制御演算器から発生されるインバータ出力電圧を表す電圧を平滑して第２の平滑電圧値を求め、これら第１，第２の平滑電圧値と直流電圧とを用いた演算によりインバータの直流側電流を検出する方法がある。
また、図示されていないが、インバータ主回路の接続方法を変更し、インバータの下アーム全ての還流ダイオードのアノードと下アーム全ての半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ等）のエミッタとの間の電流のピーク値や平均値等を検出する方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電流検出方法は、何れもインバータの直流側電流の平均値やピーク値を検出するものであり、ＰＷＭインバータの交流出力電流成分（振幅値、相電圧に対する位相角）を検出することはできなかった。
そこで本発明は、電圧形ＰＷＭインバータの直流側電流等を用いて交流出力電流の振幅値や位相角を検出するようにした電流検出装置を提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
まず、三相ＰＷＭインバータでは、出力電圧ベクトル（上下アームのスイッチング素子のオンまたはオフ（ＰＷＭパルスパターン）に応じた瞬時空間電圧ベクトル）Ｖ_０，Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，Ｖ_４，Ｖ_５，Ｖ_６，Ｖ_７の状態に応じて、直流側電流ｉ_ｄｃに各相の出力電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗが現れ、その関係は表１のようになることが知られている。
なお、表１の「ＰＷＭパルスパターン」において、「０」は各相の下アームの半導体スイッチング素子がオン（上アームのスイッチング素子はオフ）の状態、「１」は各相の上アームの半導体スイッチング素子がオン（下アームのスイッチング素子はオフ）の状態を示している。
【０００５】
【表１】

【０００６】
一方、ＰＷＭインバータの出力電流基本波が正弦波であり、かつ定常状態であるという前提のもとで、直流側電流のサンプリング間隔をΔｔ（時間）とすると、数式１、数式２の関係が成り立つ。
【０００７】
［数１］
ｉ_（０）＝Ａ・sin（ω_１ｔ_（０）−α−φ）
【０００８】
［数２］

【０００９】
数式１，数式２において、ｉ_（０）：第１回目のサンプリング時（ｔ＝ｔ_（０））における直流側電流検出値、ｉ_（１）：第１回目から時間△ｔを隔てた第２回目のサンプリング時（ｔ＝ｔ_（１））における直流側電流検出値、Ａ：基本波成分の電流振幅値、ω_１：基本波成分の角周波数、φ：相電圧に対する電流位相角、α：各相電流の位相差（Ｕ相電流検出時：α＝０°、Ｖ相電流検出時：α＝１２０°、Ｗ相電流検出時：α＝２４０°）である。
【００１０】
ここで、ＰＷＭパルスパターンからその時点で出力されている電圧ベクトルが判明し、前述した表１から、その時点の直流側電流がどの相の出力電流に相当するかが判明する。
このことを利用して、直流側電流のサンプリング値を２つ用い、数式１、数式２から基本波成分の電流振幅値及び電流位相角を求めることができる。
【００１１】
すなわち、請求項１記載の発明は、電圧形ＰＷＭインバータの直流側電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出手段と、
二つのサンプリング時点における前記直流側電流と、二つのサンプリング時点の間の時間と、前記電圧ベクトル検出手段により特定の出力電圧ベクトルが検出されたときの前記直流側電流から判定した前記インバータの出力相電流のある相を基準とした位相差と、前記インバータの出力周波数相当値とを用いて、前記インバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段と、を備えたものである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、電圧形ＰＷＭインバータのアーム電流を検出する電流検出手段と、
前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出手段と、
二つのサンプリング時点における前記アーム電流と、二つのサンプリング時点の間の時間と、前記電流検出手段が接続された前記インバータの出力相電流のある相を基準とした位相差と、前記インバータの出力周波数相当値とを用いて、前記インバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、電圧形ＰＷＭインバータのアーム電流を検出する第１の電流検出手段と、
前記アーム電流を検出していない他のアームにより構成される回路の直流電流を検出する第２の電流検出手段と、
前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出手段と、
二つのサンプリング時点における前記第１または第２の電流検出手段の直流電流検出値と、二つのサンプリング時点の間の時間と、前記電圧ベクトル検出手段により特定の出力電圧ベクトルが検出されたときの第２の電流検出手段による直流電流検出値から判定した前記インバータの出力相電流のある相を基準とした位相差と、前記インバータの出力周波数相当値とを用いて、前記インバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段と、を備えたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１に相当する本発明の第１実施形態を示す回路図である。
図１において、１００は三相の電圧形ＰＷＭインバータであり、環流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１０１〜１０６をｕ，ｖ，ｗ相の上下アームにそれぞれ備えている。１０７は直流電圧Ｅ_ｄｃを有する直流電源、Ｐ，Ｎは直流端子、１０８はスイッチング素子１０２と直流端子Ｎとの間に設けられた電流検出器である。また、前記上下アームの各相出力端子には、誘導電動機等の三相の交流電動機２００が接続されている。
【００１６】
一方、インバータ１００の出力電圧の角周波数指令値ω_１が電圧指令発生器３０１に入力されており、周波数と振幅が変化する電圧指令値が生成されて出力される。なお、角周波数指令値ω_１は、後述する出力電流振幅値・位相演算器３０５にも入力されている。
【００１７】
上記電圧指令値と、キャリア波発生器３０２から出力されたキャリア波とがＰＷＭ変調器３０３に入力され、両者の比較によってＰＷＭパルスが演算される。このＰＷＭパルスはインバータ１００の各スイッチング素子１０１〜１０６に与えられて電圧を発生し、その出力電圧により交流電動機２００が駆動される。
【００１８】
先の表１に示したように、インバータ１００の直流側電流ｉ_ｄｃは、電圧ベクトルすなわちＰＷＭパルスパターンに従って、電圧ベクトルＶ_０，Ｖ_７以外は何れかの相の電流に等しい。
ここで、ＰＷＭ変調器３０３から出力されるＰＷＭパルスからＰＷＭパルスパターンが判明し、電圧ベクトル検出器３０４により電圧ベクトルＶ_０〜Ｖ_７が検出されることになる。
【００１９】
そして、電流検出器１０８により検出した直流側電流と電圧ベクトル検出器３０４により検出した電圧ベクトルとを角周波数指令値ω_１と共に出力電流振幅値・位相演算器３０５に入力し、前述の数式１、数式２の関係から、基本波成分の電流振幅値Ａと相電圧に対する位相角（電流位相角）φとを演算により検出する。
【００２０】
すなわち、電流検出器１０８による電流検出値がゼロでない限り、第１回目のサンプリング時に検出した直流側電流ｉ_（０）がｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流の何れであるかは電圧ベクトルに基づいて判定でき、これがｕ相電流の場合には、数式１におけるα＝０°、ｖ相電流の場合にはα＝１２０°、ｗ相電流の場合にはα＝２４０°と置くことにより、数式１は電流振幅値Ａ及び電流位相角φに関する２元１次方程式となる。
同様にして、第２回目のサンプリング時に検出した直流側電流ｉ_（１）に関しても、この電流ｉ_（１）とそのときの電圧ベクトル及び角周波数指令値ω_１を用いることにより、数式２は電流振幅値Ａ及び電流位相角φに関する２元１次方程式となる。
【００２１】
よって、これらの数式１、数式２を解けば、基本波成分の電流振幅値Ａ及び電流位相角φを求めることができる。
なお、角周波数指令値ω_１の代わりに角周波数検出値や定常状態における交流電動機２００の速度検出値を用いても良い。
【００２２】
次に、図２は請求項２に相当する本発明の第２実施形態を示す回路図である。
この実施形態では、電流検出器をアーム電流検出器１０８Ａとして電圧形ＰＷＭインバータ１００Ａのアーム（例えばｕ相アーム）に接続し、そのアームの電流検出値を出力電流振幅値・位相演算器３０５に取り込むようにした点である。なお、他の構成は図１と同様であるため、説明を省略する。
【００２３】
本実施形態によれば、アーム電流検出器１０８Ａにより検出される電流の相が固定されるので、出力電流振幅値・位相演算器３０５によって演算される数式１、数式２のαを固定することができ、第１実施形態よりも演算処理を簡略化できる利点がある。
【００２４】
図３は、請求項３に相当する本発明の第３実施形態を示す回路図である。
本実施形態では、電圧形ＰＷＭインバータ１００Ｂが、１相のアームに設けられた第１の電流検出手段としてのアーム電流検出器１０８Ａと、アーム電流が検出されていない他の２相のアームを有する回路の直流電流を検出する第２の電流検出手段としての電流検出器１０８Ｂとを備えている。
【００２５】
第２実施形態ではスイッチング素子１０２がオフの期間はアーム電流検出器１０８Ａから電流が検出されないため、結果的に検出応答性や精度が悪くなるおそれがある。
そこで本実施形態では、２つの電流検出器１０８Ａ，１０８Ｂにより常時、電流を検出可能にしてサンプル数を増やし、検出応答性や精度を向上させるようにした。
なお、出力電流振幅値・位相演算器３０５における演算内容は第１，第２実施形態と同様である。
【００２６】
なお、第１実施形態または第３実施形態では、出力電流振幅値・位相演算器３０５で電流振幅値Ａ及び電流位相角φを演算する際に、特定の相電流が検出できる電圧ベクトルが発生している時に検出した電流を演算に用いることとする。
【００２７】
例えば、図１または図３の構成において、電圧ベクトル検出器３０４により電圧ベクトルＶ_１またはＶ_４が検出される場合、そのときの電流検出器１０８または１０８Ｂによる検出電流は前述の表１からｕ相電流に相当することが明らかであり、これによって出力電流振幅値・位相演算器３０５が前記数式１、数式２の演算を行う時にα＝０°に固定することができる。
同様にして、電圧ベクトルにより直流側電流がｖ相電流またはｗ相電流に相当する場合にもα＝１２０°または２４０°に固定することができる。
このため、数式１、数式２の演算処理を簡略化することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電圧形ＰＷＭインバータのパルスパターンや直流側電流、アーム電流等を用いることにより、インバータの交流出力電流の振幅値や位相角を容易に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【符号の説明】
１００，１００Ａ，１００Ｂ 電圧形ＰＷＭインバータ
１０１〜１０６ 半導体スイッチング素子
１０７ 直流電源
１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ 電流検出器
３０１ 電圧指令発生器
３０２ キャリア波発生器
３０３ ＰＷＭ変調器
３０４ 電圧ベクトル検出器
３０５ 出力電流振幅値・位相演算器

Claims (3)

1. 電圧形ＰＷＭインバータの直流側電流を検出する電流検出手段と、
   前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出手段と、
   二つのサンプリング時点における前記直流側電流と、二つのサンプリング時点の間の時間と、前記電圧ベクトル検出手段により特定の出力電圧ベクトルが検出されたときの前記直流側電流から判定した前記インバータの出力相電流のある相を基準とした位相差と、前記インバータの出力周波数相当値とを用いて、前記インバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段と、
   を備えたことを特徴とする電圧形ＰＷＭインバータの電流検出装置。
2. 電圧形ＰＷＭインバータのアーム電流を検出する電流検出手段と、
   前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出手段と、
   二つのサンプリング時点における前記アーム電流と、二つのサンプリング時点の間の時間と、前記電流検出手段が接続された前記インバータの出力相電流のある相を基準とした位相差と、前記インバータの出力周波数相当値とを用いて、前記インバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段と、
   を備えたことを特徴とする電圧形ＰＷＭインバータの電流検出装置。
3. 電圧形ＰＷＭインバータのアーム電流を検出する第１の電流検出手段と、
   前記アーム電流を検出していない他のアームにより構成される回路の直流電流を検出する第２の電流検出手段と、
   前記インバータの半導体スイッチング素子に対するパルスパターンから前記インバータの出力電圧ベクトルを検出する電圧ベクトル検出手段と、
   二つのサンプリング時点における前記第１または第２の電流検出手段の直流電流検出値と、二つのサンプリング時点の間の時間と、前記電圧ベクトル検出手段により特定の出力電圧ベクトルが検出されたときの第２の電流検出手段による直流電流検出値から判定した前記インバータの出力相電流のある相を基準とした位相差と、前記インバータの出力周波数相当値とを用いて、前記インバータの交流出力電流の基本波成分の振幅値と相電圧に対する位相角とを演算する振幅値・位相演算手段と、
   を備えたことを特徴とする電圧形ＰＷＭインバータの電流検出装置。

Images