JPH0720384B2 - 電圧形インバータの制御方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はインバータの制御方法及びその装置に係り、特
に、電圧形のパルス幅変調インバータの出力電圧を制御
するに好適な電圧形インバータの制御方法及びその装置
に関する。

〔従来の技術〕

PWMインバータにおいては、インバータを構成する正側
及び負側スイッチング素子を交互に導通制御して出力電
圧をPWM制御する方式が採用されている。このような制
御方式を実行するに際しては、スイッチング素子にはタ
ーンオフ時間によるスイッチングの遅れがあるため、正
側及び負側のスイッチング素子が同時に導通しないよう
に、短絡防止期間（以下、オンデレイと称する。）が設
けられている。ところがオンデレイによりインバータの
出力電圧が低下しインバータの出力電圧に波形歪みが生
じるという問題がある。

そこで、従来では、オンデレイによる出力電圧歪みを補
償する方法として、特開昭60−82066号公報に記載され
ているように、インバータの出力電圧を検出してパルス
幅を生成するようにしたものが提案されている。また特
開昭62−135289号公報に記載されているように、出力電
流指令信号に基づいてインバータのオンデレイによる出
力電圧降下を演算し、この演算値をインバータの出力電
圧指令に加算してオンデレイに伴う出力電圧降下を補償
する方法が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術は、インバータの出力電圧
を検出するための検出器が必要であり、ハード構成が複
雑となる。また、インバータの出力電圧指令に加算され
る演算値は一定値が加算されるため、インバータ出力電
流の大きさに応じてオンデレィによる出力電圧降下の大
きさが変化しても、これを補償できないという問題があ
る。

本発明の目的は、インバータの出力信号を検出せずにオ
ンデレィによる出力電圧降下をインバータ出力電流の大
きさに応じて補償することができる電圧形インバータの
制御方法及びその装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するために、本発明は、第１の制御方法
として、インバータ負荷の交流電動機に対する励磁電流
指令信号とトルク電流指令信号からインバータ出力電流
の大きさを算出し、交流電動機の１次角周波数指令信号
から得られた座標基準信号と前記各指令信号からインバ
ータ出力電流の各相の位相角を算出し、インバータ出力
電流の大きさと各相の位相角から各相の交流電流指令信
号を生成し、この交流電流指令信号の大きさと極性に応
じて各相のオンデレイ補償電圧を求め、交流電動機の回
転磁界座標系の電圧指令信号から得られた固定子座標系
の各相の交流電圧指令信号に前記各オンデレィ補償電圧
を加算して各相の出力電圧指令信号を生成し、これらの
信号にオンデレイを付加したパルス幅変調信号を生成
し、各パルス幅変調信号によりインバータを制御する電
圧形インバータの制御方法を採用したものである。

第２の制御方法として、インバータ負荷の交流電動機に
対する励磁電流指令信号とトルク電流指令信号からイン
バータ出力電流の大きさを算出し、このインバータ出力
電流の大きさとオンデレイに伴うインバータの電圧降下
がほぼ一定となるときの電流として得られたインバータ
出力電流の大きさとの比から各相共通の位相角を求め、
交流電動機の１次角周波数指令信号から得られた座標基
準信号と前記各指令信号からインバータ出力電流の各相
の位相角を算出し、算出した各相の電流位相角と各相共
通の電流位相角に従って大きさと極性が決定された各相
のオンデレィ補償電圧を生成し、交流電動機の回転磁界
座標系の電圧指令信号から得られた固定子座標系の各相
の交流電圧指令信号に前記各オンデレイ補償電圧を加算
して各相の出力電圧指令信号を生成し、これらの信号に
オンデレイを付加したパルス幅変調信号を生成し、各パ
ルス幅変調信号によりインバータを制御する電圧形イン
バータの制御方法を採用したものである。

第１の制御装置として、インバータ負荷の交流電動機に
対する励磁電流指令信号をトルク電流指令信号及び１次
角周波数指令信号に基づいて交流電動機の回転磁界座標
系の各相の電圧指令信号を算出する電圧指令演算器と、
１次角周波数指令信号から得られた座標基準信号に従っ
て電圧指令演算器の出力信号を交流電動機の固定子座標
系の各相の交流電圧指令信号に変換する座標変換器と、
座標変換器の各相の出力信号にオンデレイを付加したパ
ルス幅変調信号を生成し、この信号によりインバータを
制御するインバータ制御器とを有する電圧形インバータ
の制御装置において、励磁電流指令信号とトルク電流指
令信号からインバータ出力電流の大きさを算出する電流
演算器と、座標基準信号と励磁電流指令信号及びトルク
電流指令信号からインバータ出力電流の各相の位相角を
算出する位相角演算器と、電流演算器の出力信号と位相
角演算器の出力信号から各相の交流電流指令信号を生成
する交流電流指令信号発生器と、交流電流指令信号の大
きさと極性に応じて各相のオンデレイ補償電圧を出力す
る補償電圧発生器と、補償電圧発生器の各出力信号を座
標変換器の出力信号に加算する加算器とを設けた電圧形
インバータの制御装置を構成したものである。

第２の制御装置として、インバータ負荷の交流電動機に
対する励磁電流指令信号とトルク電流指令信号及び１次
角周波数指令信号に基づいて交流電動機の回転磁界座標
系の各相の電圧指令信号を算出する電圧指令演算器と、
１次角周波数指令信号から得られた座標基準信号に従っ
て電圧指令演算部の出力信号を交流電動機の固定子座標
系の各相の交流電圧指令信号に変換する座標変換器と、
座標変換器の各相の出力信号にオンデレイを付加したパ
ルス幅変調信号を生成し、この信号によりインバータを
制御するインバータ制御器とを有する電圧形インバータ
の制御装置において、励磁電流指令信号とトルク電流指
令信号からインバータ出力電流の大きさを算出する電流
演算器と、座標基準信号と励磁電流指令信号及びトルク
電流指令信号からインバータ出力電流の各相の位相角を
算出する第１位相角演算器と、電流演算器の出力信号と
オンデレイに伴うインバータの電圧降下がほぼ一定とな
るときの電流として得られたインバータ出力電流の大き
さとの比から各相共通の位相角を算出する第２位相角演
算器と、各位相角演算器の出力信号から大きさと極性が
決定された各相のオンデレイ補償電圧を算出する補償電
圧演算器と、補償電圧演算器の各出力信号を座標変換器
の出力信号に加算する加算器とを設けた電圧形インバー
タの制御装置を構成したものである。

〔作用〕

PWMインバータの出力電流の大きさに対するオンデレイ
による出力電圧降下は、第３図に示されるように、その
極性が出力電流の極性に応じて変化し、その特性は出力
電流の小さい領域Ｉと大きい領域IIに分けられる。この
ため、インバータの交流出力電流に対する出力電圧降下
は、第４図に示されるように、出力電流の大きさに応じ
て変化する。そこで、出力電流の大きさに応じて補償電
圧を求め、この補償電圧を交流電動機の固定子座標系の
三相交流電圧指令信号に加算することによりオンデレイ
に伴うインバータの電圧降下を補償することが可能とな
る。出力電流の大きさに応じて補償電圧の大きさが決定
され、補償電圧によってオンデレイに伴う電圧降下が補
償されると誤差電圧が零となり、交流電動機にトリプリ
ップルが発生するのを防止することが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、PWMインバータ１は正側及び負側のス
イッチング素子として三組のトランジスタを備えてお
り、PWMパルス演算器９からパルス幅変調信号を受けて
直流電圧を三相の交流電圧に変換し、変換した三相の交
流電圧を誘導電動機２へ供給するようになっている。誘
導電動機２の速度は速度検出器３により検出され、速度
検出器３の検出出力である速度信号ωγが加算器4,11に
供給されている。加算器４には速度信号ωγと速度指令
信号ωγ＊が供給されており、各信号の偏差に応じた信
号が速度調節器５に供給されている。調節器５は加算器
４の出力信号を零に抑制するためのトルク電流指令信号
Iq＊を出力するようになっている。トルク電流指令信号
Iq＊は電圧指令演算器６、すべり角周波数演算器10、補
償電圧演算器13に供給されており、すべり角周波数演算
器10は励磁電流指令信号Id＊とトルク電流指令信号Iq＊
からすべり角周波数信号ωｓ＊を演算し、演算した信号
を加算器11へ出力するようになっている。加算器11は信
号ωｓ＊と速度ωγとを加算して１次角周波数指令信号
ω_１＊を生成し、この信号を電圧指令演算器６と積分器
12へ出力するようになっている。積分器12は信号ω_１＊
を時間積分して座標基準信号ω₁tを生成し、この信号を
補償電圧演算器13と座標変換器７へ出力するようになっ
ている。

電圧指令演算器６は励磁電流指令信号Id＊、トルク電流
指令信号Iq＊及び１次角周波数指令信号ω_１＊に基づい
て誘導電動機２の回転磁界座標系の電圧指令信号Vd＊,V
q＊を演算するようになっている。各電圧指令信号は次
の（１），（２）式によって求められる。

Vd＊＝γ_１・Id＊−ω_１＊（l₁＋l₂′）・Iq＊…（１） ここに、γ₁:1次抵抗値 l₁,l₂′:1次、２次漏れインダクタンス値 M:励磁インダクタンス値 T₂:2次時定数 s:微分演算子である。

座標変換器７は電圧指令信号Vd＊,Vq＊、座標基準信号
ω₁tとを受け、座標基準信号ω₁tに従って、電圧指令信
号Vd＊,Vq＊を電動機２の固定子座標系の三相交流電圧
指令信号Ｖ＊に変換するようになっている。この指令信
号Ｖ＊は加算器８で補償電圧演算器13からの補償電圧Vf
＊（Vfu＊,Vfv＊,Vfw＊）と加算され、出力電圧指令信
号Ｖ＊＊に変換される。出力電圧指令信号Ｖ＊＊はPWM
パルス演算器９に供給され、搬送波信号と比較されパル
ス幅変調信号に変換される。このパルス幅変調信号を生
成する場合、PWMインバータ１の正側と負側のトランジ
スタが同時に導通するのを防止するためのオンデレイを
付加してパルス幅変調信号が生成される。そしてこのパ
ルス幅変調信号によりPWMインバータ１の各トランジス
タはスイッチング制御され、直流電圧が三相の交流電圧
に変換される。

なお、三層交流電圧指令信号Ｖ＊（Vu＊,Vv＊,Vw＊）は
次の（３）式によって表わされる。

補償電圧演算器13は励磁電流指令信号Id＊、トルク電流
指令信号Iq＊、座標基準信号ω₁tに基づいて補償電圧Vf
＊を算出するように構成されており、その具体的構成が
第２図に示されている。

補償電圧演算器13は電流演算器14、逆正接演算器15、定
数発生器16、加算器17,18、余弦演算器20,21,22、乗算
器23,24,25、関数発生器26,27,28から構成されている。
電流演算器14は励磁電流指令信号Id＊、トルク電流指令
信号Iq＊から次の（４）式に従って出力電流の大きさIm
＊を演算し、演算結果を乗算器23,24,25へ出力するよう
になっている。

逆正接演算器15は指令信号Id＊,Iq＊から次の（５）式
に従って電流位相角θ＊を演算し、演算結果を加算器17
へ出力するようになっている。

θ＊＝tan^-1（Iq＊/Id＊） ……（５） 加算器17は電流位相角θ＊と座標基準信号ω,tとを加算
してＵ相の電流位相角θiu＊を生成し、この信号を加算
器18及び余弦演算器20へ出力するようになっている。余
弦演算器20の出力信号は乗算器23で出力電流の大きさIm
＊と乗算され、正弦波状の交流電流指令iu＊に変換され
る。

一方、加算器18には、電流位相角θiu＊と定数発生器16
から位相角を２π/3シフトするための信号が供給されて
おり、加算器18からはＶ相の電流位相角θiv＊が出力さ
れ、この信号が余弦乗算器21を介して乗算器24に供給さ
れる。そして乗算器24からはＶ相の交流電流指令信号Iv
＊が生成される。さらに加算器19には定数発生器16から
の信号と加算器18からの電流位相角θiv＊の信号が供給
されている。この加算器19からはＷ相の電流位相角θiw
＊の信号が出力され、この信号が余弦演算器22を介して
乗算器25に供給されている。そして乗算器25からはＷ相
の交流電流指令iw＊が生成される。乗算器23,25から各
相の交流電流指令信号iu＊,iv＊,iw＊が関数発生器26,2
7,28に与えられると、各指令信号の大きさ及び極性に応
じたオンデレイ補償電圧Vfu＊,Vfv＊,Vfw＊が出力され
る。

関数発生器26,27,28はメモリで構成されており、交流電
流指令に対応したアドレスに各種のオンデレイ補償電圧
が格納されている。このオンデレイ補償電圧を格納する
に際しては、第３図に示されるように、１次側周波数指
令信号ω_１＊＝０、電圧指令信号Vq＊＝０とした条件で
PWMインバータ１を運転し、出力電流ｉと電圧降下Vfと
の関係を測定し、この測定結果に従ったオンデレイ補償
電圧が格納されている。このため、実際の電流に一致し
た交流電流指令が生成されると、この交流電流指令の大
きさに応じたオンデレイ補償電圧が選択され、関数発生
器26,27,28からは、第４図に示されるように、出力電流
ｉの大きさに応じた補償電圧Vf＊が出力される。この補
償電圧Vf＊が交流電圧指令信号Ｖ＊と加算されると、出
力電圧指令信号Ｖ＊＊は、第５図に示されるような信号
として出力される。

このように、本実施例においては、出力電流ｉの大きさ
に応じたオンデレイ補償電圧Vf＊を三相交流電圧指令信
号Ｖ＊に加算するようにしたため、インバータ１の出力
電流に波形歪みが生じるのを抑制することができ、誘導
電動機２にトルクリップルが発生するのを防止すること
ができる。

次に、本発明の他の実施例を第６図に基づいて説明す
る。

本実施例は、交流電流指令信号を求める代りに、出力電
流の位相角からオンデレイ補償電圧の大きさを直接演算
するようにしたものであり、補償電圧演算器13には、余
弦演算器20,21,22、乗算器23,24,25、関数発生器26,27,
28の代りに、位相角演算器29、補償電圧演算器30,31,32
が設けられている。

本実施例では、第３図に示されるように、オンデレイに
伴う出力電圧降下のうち出力電流ｉの大きさに比例する
部分が補償誤差となることに着目し、交流電流指令信号
の瞬時時の代りに、出力電流の位相角に対するオンデレ
イ補償電圧を求めることとしている。すなわち、出力電
流ｉが±icの範囲ではオンデレイに伴う出力電圧降下が
出力電流ｉに比例し、±ic以上では一定の出力電圧降下
である。そこで、電流がIm＊・sin（ω₁t）で変化して
いるものとして、これを位相角でとらえ直してみれば、
位相角が±sin^-1（ic/Im＊）の範囲ではオンデレイに伴
う出力電圧降下が１次関数に従って変化し、それ以外で
は一定となる。

ここで、各相共通の位相角θｃ＊＝sin^-1（ic/Im＊）と
すれば、θｃ＊は次の（６）式で表わされ、位相角演算
器29によって求められる。

位相角演算器29の出力信号θｃ＊は各相の電流位相角θ
iu＊，θiv＊，θiw＊と共に補償電圧演算器30,31,32に
供給されており、補償電圧演算器30,31,32は各位相角に
基づいて各相のオンデレイ補償電圧Vfu＊,Vfu＊,Vfw＊
を演算し、演算結果を加算器８へ出力するようになって
いる。そして各演算器30,31,32は各位相角のうち各相の
電流位相角から各相の極性を判定することとしている。
すなわち余弦関数の性質から、 の範囲では正、それ以外では負と判定することとしてい
る。そして各位相角からオンデレイ補償電圧を演算する
に際しては、第７図に示されるような処理が行われる。
なお、各相のオンデレイ補償電圧の演算処理が同一であ
るため、Ｕ相についてのみ説明する。

まず、電流位相角θiu＊を常に±πの範囲となるような
制限処理を行い（ステップ30A）、この処理の後はステ
ップ30B,30C,30Dにおいて極性の判定を行う。すなわ
ち、ステップ30Bでは、余弦関数の性質から電流位相角
θiu＊が の範囲内か否かを判定し、 の範囲内であればSgn（符号）を１とし、それ以外のと
きにはSgnを−１とする処理を行う。

次に、θiu＊が の近くにあるとき、すなわちＵ相電流が一側から＋側に
変化し零点近傍にある場合、その範囲が±θｃ＊か否か
を判定する。この場合、θｉ＊には、θｃ＊と比較する
ために、 が加算されている。そしてステップ30EでＵ相電流が第
１の零点近傍で、かつ±θｃ＊の範囲内と判定された場
合には、ステップ30Fにおいて大きさの係数ｋが求めら
れる。

一方、θiu＊が の近くにあるとき、すなわちＵ相電流が＋側から−側に
変化し零点近傍にある場合、その範囲が±θｃ＊か否か
が判定される（ステップ30G）。この場合、θiu＊には
θｃ＊と比較するために が減算される。そしてステップ30GでＵ相の電流が第２
の零点近傍で、かつ±θｃ＊の範囲内と判定された場合
には、ステップ30Hにおいて大きさの係数ｋが求められ
る。また30GでＵ相電流が範囲内と判定された場合には
係数ｋが１として処理される（ステップ30A）。

ステップ30F,30H,30Iで係数ｋが求められた後はステッ
プ30Jでオンデレイ補償電圧Vfu＊が次の（７）式によっ
て求められる。

Vfu＊＝ｋ・Vf・Sgn ……（７） ここに、Vfは第３図に示されるオンデレイによる電圧降
下の大きさのうち出力電流ｉがほぼ一定となる値を示
す。

本実施例によれば、前記実施例と同様に、出力電流の大
きさに応じたオンデレイ補償電圧を三相交流電圧指令信
号に加算するようにしたため、インバータの出力電流の
波形歪みを抑制することができ、誘導電動機にトリプリ
ップルが発生するのを防止することが可能となる。さら
に、交流電流指令信号を演算するための演算器及び関数
発生器が不要となるので、前記実施例よりもディジタル
制御による演算が容易となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、インバータのオ
ンデレイに伴う出力電圧降下をインバータの出力電流の
大きさに応じて補償するようにしたため、インバータの
出力電流の大きさによらずインバータの出力電流に波形
歪みが生じるのを抑制することができ、インバータ負荷
の交流電動機からトルクリップルが発生するのを防止す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図、第２図は
補償電圧演算器の具体的構成図、第３図は出力電流と出
力電圧降下との関係を示す特性図、第４図は出力電流の
大きさに応じたオンデレイ補償電圧の特性を示す特性
図、第５図は出力電圧指令信号の波形図、第６図は本発
明の他の実施例を示す補償電圧演算器の具体的構成図、
第７図は第６図に示す演算器の処理内容を説明するため
のフローチャートである。 １……PWMインバータ、２……誘導電動機、 ３……速度検出器、4,8,11……加算器、 ５……速度調節器、６……電圧指令演算器、 ７……座標変換器、９……PWMパルス演算器、 10……すべり角周波数演算器、12……積分器、 13……補償電圧演算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 潤一 茨城県日立市大みか町５丁目２番１号 株 式会社日立製作所大みか工場内 (56)参考文献 特開 昭64−60264（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インバータ負荷の交流電動機に対する励磁
   電流指令信号とトルク電流指令信号からインバータ出力
   電流の大きさを算出し、交流電動機の１次角周波数指令
   信号から得られた座標基準信号と前記各指令信号からイ
   ンバータ出力電流の各相の位相角を算出し、インバータ
   出力電流の大きさと各相の位相角から各相の交流電流指
   令信号を生成し、この交流電流指令信号の大きさと極性
   に応じて各相のオンデレイ補償電圧を求め、交流電動機
   の回転磁界座標系の電圧指令信号から得られた固定子座
   標系の各相の交流電圧指令信号に前記各オンデレィ補償
   電圧を加算して各相の出力電圧指令信号を生成し、これ
   らの信号にオンデレイを付加したパルス幅変調信号を生
   成し、各パルス幅変調信号によりインバータを制御する
   電圧形インバータの制御方法。
2. 【請求項２】インバータ負荷の交流電動機に対する励磁
   電流指令信号とトルク電流指令信号からインバータ出力
   電流の大きさを算出し、このインバータ出力電流の大き
   さとオンデレイに伴うインバータの電圧降下がほぼ一定
   となるときの電流として得られたインバータ出力電流の
   大きさとの比から各相共通の位相角を求め、交流電動機
   の１次角周波数指令信号から得られた座標基準信号と前
   記各指令信号からインバータ出力電流の各相の位相角を
   算出し、算出した各相の電流位相角と各相共通の電流位
   相角に従って大きさと極性が決定された各相のオンデレ
   ィ補償電圧を生成し、交流電動機の回転磁界座標系の電
   圧指令信号から得られた固定子座標系の各相の交流電圧
   指令信号に前記各オンデレイ補償電圧を加算して各相の
   出力電圧指令信号を生成し、これらの信号にオンデレイ
   を付加したパルス幅変調信号を生成し、各パルス幅変調
   信号によりインバータを制御する電圧形インバータの制
   御方法。
3. 【請求項３】インバータ負荷の交流電動機に対する励磁
   電流指令信号をトルク電流指令信号及び１次角周波数指
   令信号に基づいて交流電動機の回転磁界座標系の各相の
   電圧指令信号を算出する電圧指令演算器と、１次角周波
   数指令信号から得られた座標基準信号に従って電圧指令
   演算器の出力信号を交流電動機の固定子座標系の各相の
   交流電圧指令信号に変換する座標変換器と、座標変換器
   の各相の出力信号にオンデレイを付加したパルス幅変調
   信号を生成し、この信号によりインバータを制御するイ
   ンバータ制御器とを有する電圧形インバータの制御装置
   において、励磁電流指令信号とトルク電流指令信号から
   インバータ出力電流の大きさを算出する電流演算器と、
   座標基準信号と励磁電流指令信号及びトルク電流指令信
   号からインバータ出力電流の各相の位相角を算出する位
   相角演算器と、電流演算器の出力信号と位相角演算器の
   出力信号から各相の交流電流指令信号を生成する交流電
   流指令信号発生器と、交流電流指令信号の大きさと極性
   に応じて各相のオンデレイ補償電圧を出力する補償電圧
   発生器と、補償電圧発生器の各出力信号を座標変換器の
   出力信号に加算する加算器とを設けたことを特徴とする
   電圧形インバータの制御装置。
4. 【請求項４】インバータ負荷の交流電動機に対する励磁
   電流指令信号とトルク電流指令信号及び１次角周波数指
   令信号に基づいて交流電動機の回転磁界座標系の各相の
   電圧指令信号を算出する電圧指令演算器と、１次角周波
   数指令信号から得られた座標基準信号に従って電圧指令
   演算部の出力信号を交流電動機の固定子座標系の各相の
   交流電圧指令信号に変換する座標変換器と、座標変換器
   の各相の出力信号にオンデレイを付加したパルス幅変調
   信号を生成し、この信号によりインバータを制御するイ
   ンバータ制御器とを有する電圧形インバータの制御装置
   において、励磁電流指令信号とトルク電流指令信号から
   インバータ出力電流の大きさを算出する電流演算器と、
   座標基準信号と励磁電流指令信号及びトルク電流指令信
   号からインバータ出力電流の各相の位相角を算出する第
   １位相角演算器と、電流演算器の出力信号とオンデレイ
   に伴うインバータの電圧降下がほぼ一定となるときの電
   流として得られたインバータ出力電流の大きさの比から
   各相共通の位相角を算出する第２位相角演算器と、各位
   相角演算器の出力信号から大きさと極性が決定された各
   相のオンデレイ補償電圧を算出する補償電圧演算器と、
   補償電圧演算器の各出力信号を座標変換器の出力信号に
   加算する加算器とを設けたことを特徴とする電圧形イン
   バータの制御装置。