JPH1118436A - インバータ装置およびインバータ制御システム装置 - Google Patents
インバータ装置およびインバータ制御システム装置Info
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- JPH1118436A JPH1118436A JP9173419A JP17341997A JPH1118436A JP H1118436 A JPH1118436 A JP H1118436A JP 9173419 A JP9173419 A JP 9173419A JP 17341997 A JP17341997 A JP 17341997A JP H1118436 A JPH1118436 A JP H1118436A
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Abstract
率、高信頼性の汎用的なインバータ装置を提供するこ
と。 【解決手段】 スイッチング素子、ゲート駆動回路、通
信手段、インバータ制御器、制御用電源回路とを備え、
これらが実装された回路基板および端子台が合成樹脂材
で一体成型された一体形モジュールとして構成される。
Description
波数で駆動する汎用のユニット化されたインバータ装置
の構成およびその保護、効率化運転制御機能に関するも
のである。
意の周波数で駆動するインバータ装置では、例えば、特
開昭60−219968号公報に示されているように、
インバータ装置を、主回路、パワートランジスタなどを
個別に設置し、その間をケーブルにて接続して構成して
いた。また、例えば特開平8−9653号公報に示され
ているように、順変換部と逆変換部、それに主回路の端
子台とを樹脂モールドにより一体に成形し主回路端子台
一体形モジュールとし、小型化、省配線化を行ってい
た。
る装置としては、例えば、特開平7−67389号公報
などに示されているように、インバータ部の温度検出に
より、モータの駆動を停止することにより素子を保護し
ている。また、例えば、特開平7−19494号公報な
どに示されているように、インバータに用いられている
スイッチング素子(IGBT)の近傍に複数の温度セン
サを設け、それらの最大値の温度が、所定値よりも大き
いときには、モータへのトルク指令を制限することによ
りインバータ装置を加熱より保護していた。
によりインバータ出力電圧が変動することにより、トル
ク不足や過電流異常によるトラブルを回避する装置とし
ては、例えば、特開昭61−98163号公報などによ
り示されているように、インバータ直流入力電圧を設定
周波数に応じた電圧信号を補償する演算回路において出
力電圧を入力直流電圧に反比例させ、入力直流電圧変動
を補償している。また、例えば、特開平6−31178
7号公報などにより示されているように、電源電圧検出
回路の検出出力に応じて補正回路が定格のV/F比率と
なる出力周波数を得るために周波数制御信号を補正し、
出力電圧が定格のV/F比率で決まる電圧となるように
するものである。
ッチング素子の短絡を防止するデッドタイムにより歪む
ことを防止するデッドタイム補償装置としては、例え
ば、特開平7−7967号公報などに示されているよう
に、インバータ出力電流を検出しその極性を判別する極
性判別手段を設け、その電流極性に基づいて電圧補正を
加えることによりデッドタイム補償を行う方法が提案さ
れていた。
い、またインバータ装置への入力電源電圧変動、デッド
タイムなどに対応して、安定したインバータ運転を行う
ようなインバータ装置を実現することを目的としてい
る。
うなインバータ装置においては、パワートランジスタな
どのスイッチング素子およびその周辺回路のみをモジュ
ール化しており、スイッチング素子へのPWM信号を生
成するマイコンなどからなる制御装置は別構成となって
いるため、制御装置を別に設置するスペースが必要とな
り、また制御装置とモジュールとの間の接続配線が多数
必要であり、組立工数の増大、信頼性の低下を招いてい
た。
イッチング素子の保護装置では、サーミスタなどにより
検出された素子の温度の現在値のみに従ってインバータ
出力周波数を制限していたため、例えば、素子の温度が
低下中の場合、周波数制限を解除することが可能な場合
でも、周波数制限をし続けるため、インバータの最大能
力を有効に利用することが不可能であった。
入力電圧の変動の補償装置では、電動機の負荷が増大し
た場合に、検出された入力電源電圧による出力電圧補償
量を加えても、負荷増大による電圧降下によりインバー
タ出力電圧が低下する現象が発生し、トルク不足や過電
流異常が発生していた。
タイム補償装置では、インバータ出力電流を検出し、そ
れより分かる電流の極性により補償量と補償タイミング
を決定していたため、高精度の電流検出装置を設ける必
要があった。またさらに検出された電流値を用いていた
ため、波形が乱れたときやノイズがのってきた場合の制
御の信頼性に問題があった。
で、小型化、省配線化することによりコストの低減およ
び汎用化に寄与するインバータ装置を提供するととも
に、インバータの温度上昇による素子の保護を行いなが
ら能力を最大限利用し、電源電圧変動と負荷変動に対し
ても安定した駆動を実現し、さらに簡単な構成で出力電
圧波形を整形し、効率上昇、安定な運転を実現すること
を目的とする。
に本発明のインバータ装置は、複数個のスイッチング素
子、ゲート駆動回路、制御用マイコン、制御用電源回路
とをそれらの接続配線をも含めて一体化し、モジュール
構成とするものである。
は、装置を構成する複数個のスイッチング素子、ゲート
駆動回路、インバータ制御器、制御用電源回路とがモジ
ュールとして一体化されているため、それら構成要素を
個別に設置するスペースが不要となり、さらにそれらの
間の配線も不要となるため、システムの小型化および組
立工数の低減が達成され、さらにそれによりシステム装
置の信頼性向上およびコスト低減に寄与することができ
る。
度検出手段により検出された温度に従い、さらに素子温
度の上昇、下降に従い、インバータ出力周波数を加減す
ることにより、連続運転を実現しながら素子の加熱によ
る破壊を防止するものである。
電源入力電圧の最小値に従い、インバータ出力電圧を補
正することにより、電源電圧の変動やインバータ装置の
出力負荷による変動によるインバータ装置の出力電圧の
変動を抑え、トルク不足や過電流異常の発生をなくすこ
とができる。
びその補正電圧を加える位相に従い、インバータの交流
出力電圧波形を補正することにより、出力電流の極性を
検出することなく簡単な構成により安定したデッドタイ
ム補正が行うことができ、インバータ装置の効率を上昇
することができる。
例を図に基づいて説明する。
施例の外観図である。制御機能も含めたインバータ装置
4の構成要素が、合成樹脂材で一体成型された一体形モ
ジュールであり、上部には、電源入力用端子7、交流出
力端子8、制御通信端子9が備えられ、外部装置との入
出力を行う。
施例のシステム構成図である。交流電源1を整流部2で
整流した後、平滑コンデンサ3により平滑して直流電源
を得る。インバータ装置4は、この直流電源を電源入力
用端子7を介して入力し、システム制御装置5からの周
波数指令を受け、指令された周波数の交流電流を交流出
力端子8を通して出力する。出力された交流により誘導
電動機6を駆動する。
するために必要なスイッチング素子IGBT(絶縁ゲー
ト形バイポーラトランジスタ)40a〜40fと、これ
と逆並列接続されたフライホイールダイオード41a〜
41fからなる6個のアームを備え、これらを直流母線
の正極側と負極側の間にブリッジ接続して形成した三相
のインバータ回路で構成されており、また3カ所のトラ
ンジスタ直列接続点から三相交流が出力される。
部に設置されたシステム制御装置5から制御通信端子9
を介してシリアル通信により送信されてきた周波数指令
の情報を解読し、その情報をインバータ制御器43に出
力する。インバータ制御器43は、その周波数の交流を
出力するために必要なスイッチング素子40a〜40f
のON−OFF切り換え信号をゲート駆動回路42に出
力する。スイッチング素子のON−OFF切り換えは、
一般的なPWM(Pulse Width Modul
ation)方式に従い行うが、ここでは詳細説明は省
く。ゲート駆動回路42は、切り換え信号に従い、スイ
ッチング素子各1GBTのON/OFFを行う。これに
より、交流出力端子8からは、指令された指令周波数に
合った交流が出力される。また、電源回路46は、イン
バータ制御器43、ゲート駆動回路42、通信手段44
に供給する制御用電源を供給するものである。
るインバータ制御器の一実施例のブロック構成図であ
る。通信手段44から得られた指令周波数情報に基づき
出力電圧演算手段434は、あらかじめ定められた周波
数電圧関係式(通常V/F特性とよぶ)により出力電圧
指令を演算する。図4に典型的なV/F特性図を示す。
PWM演算手段430は、演算された指令電圧と指令周
波数に基づいてPWM方式によるスイッチング素子40
a〜40fの駆動信号を演算し、ゲート駆動回路42へ
出力する。
られた素子温度検出手段44は、スイッチング素子40
a〜40fの温度を検出し、その情報をインバータ制御
器43に出力する。インバータ制御器43内の加熱判断
手段435は、その検出された素子の温度が、予め設定
された所定の温度、例えば120℃以上になった場合、
ゲート駆動回路42への出力を固定して、交流出力を停
止するようにPWM演算手段430に信号を出力する。
これにより、スイッチング素子40a〜40fの加熱に
よる破壊を防止する。また、同時にその異常情報は、通
信手段44により外部のシステム制御装置5に出力され
る。システム制御装置5は、異常情報を受け、待機状態
に入るなどの異常処理を実施する。
の温度制御手段436の作動原理について説明する。温
度制御手段436は、検出された素子の温度と、その温
度の変動値を求め、その値から予め設定された予測時
間、例えば1分後の温度に基づいて交流出力周波数を制
御する。図5はその交流出力の周波数制限方法を表した
図である。素子温度予測値がある所定の温度T0、例え
ば100℃を超えると共に出力周波数を減少させてい
く。さらに、温度T1を超えると完全停止する。
を表す温度推移図を示す。例えば、1分前の温度がT1
1、現在がT12と計測された場合に、1分後の温度は
直線近似によりT13と推定される。このT13に基づ
き温度制御手段436は交流出力の出力周波数を制限す
る。また、1分前の温度がT21、現在がT22と計測
された場合に、1分後の温度は直線近似によりT23と
推定される。このT23に基づき温度制御手段436は
交流出力の出力周波数を制限、つまり出力停止する。こ
のように予測された一定時間後の温度に基づき交流出力
を制御することにより、迅速に温度変化に対応した制御
が可能となり、従来の温度の値からのみ制限を加えた場
合に比べて、停止回数が減り、インバータ装置の能力を
最大限に利用することが可能となる。
おける電源電圧補償の作動原理について説明する。イン
バータ装置4へ電源入力用端子7を介して入力される直
流電源の電圧を検出する電圧検出手段45の検出電圧出
力はインバータ制御器43へ入力される。インバータ制
御器43における最小電圧値検出手段432は、直流電
源の電圧の最小電圧値を検出する。電圧偏差演算手段4
33においては、その最小電圧値をあらかじめ定められ
た基準電圧と比較し、その偏差を出力電圧演算手段43
4に出力する。出力電圧演算手段434は、その直流電
源の電圧が基準電圧との間で偏差を持つ場合にでも、ス
イッチング素子40a〜40fより出力される交流出力
電圧が一定となるように、ゲート駆動回路42への出力
を調整する。図7は、本インバータ装置4の出力電圧と
出力周波数との間の関係を示す図である。インバータ装
置4の負荷となる誘導電動機6を駆動する場合、一般的
に誘導電動機6の磁気飽和を避けるために、その出力電
圧と出力周波数の比(V/F比)を所定の一定値とす
る。これは、直流電源の電圧が、ある所定の値(以降、
基準電圧Vrefと呼ぶ)であるとして、効率が最大と
なるべく設計された比率である。しかし、直流電源の入
力が変動した場合、例えば電圧Vmaxとなった場合、
通常のインバータ装置では、それに応じて誘導電動機6
への出力電圧は、変動してしまい効率低下、電流増大を
招いていた。それに対し、本発明では、図3に示すよう
に、例えば周波数f1の場合、本来出力したい電圧V2
となるように(V2−V1)分だけ補正を加え、ゲート
駆動回路42へ出力を加える。ところで、インバータ装
置4の負荷、ここでは誘導電動機6の負荷が増大した場
合、それに応じて出力電圧の電圧降下が発生する。さら
に、同時に整流部2、平滑コンデンサ3により整流され
た直流電源の電圧も一般的に負荷によりそのリップルは
増大する。図8に、その電圧変動の波形図を示す。この
電圧変動の中から計算される平均電圧により補正を加え
た場合、負荷による電圧降下の影響により出力電圧は、
所定のV/F直線よりも低い電圧となる。これに対し、
本発明によるインバータ装置4におけるインバータ制御
器43は、電圧検出手段45により検出された検出電圧
の変動の中で、その最小値を最小電圧値検出手段432
により求め、その最小電圧値を用いて出力電圧に補正を
加えゲート駆動回路42を駆動する。これにより、負荷
による電圧降下分を補う形で電圧が出力されるため、電
源電圧変動、負荷変動に対して、常に出力電圧を保ち高
効率のインバータ駆動が可能となる。
おけるデッドタイム補償の作動原理について説明する。
このようなPWM方式のインバータにおいては、スイッ
チング素子40a〜40fからなる上下両アーム素子の
ON−OFF動作により交流電流を作成するが、この上
下両アーム素子の同時ON状態による短絡を避けるた
め、それぞれのON−OFF状態反転時に前記上下アー
ム素子を共にOFF状態となす期間(デッドタイム)が
設定されている。この共通OFF期間においては、誘導
電動機6の誘導負荷の続流が、誘導負荷とフライホイー
ルダイオード41a〜41fとからなる閉回路を環流す
るため、その電流の流れる方向によって出力電圧の極性
が決まる。これにより、電流I<0の場合にはマイナス
の誤差電圧が、逆にI>0の場合には、プラスの誤差電
圧が発生する。これらの関係を図5に示す。これによ
り、インバータ出力電圧波形に歪みが生じ、効率低下、
振動増大の原因となっていた。
では、電流検出用抵抗47を直流母線に設け、その両端
電圧よりインバータ装置4にて消費される電流値を検出
する電流検出手段48を持ち、インバータ制御器43の
補償電圧位相演算手段431は、その検出された電流値
に従い出力電圧波形に加える補正値を決定し、さらにP
WM演算手段430において波形に補正を加える。図5
に本発明によるインバータ装置の波形発生でのデッドタ
イムによる電圧偏差の発生原理を表した図を示す。誤差
電圧は、出力電流が正の場合に負の誤差電圧、負の場合
には正の誤差電圧というように電流位相に従って誤差電
圧が発生するため、それを相殺するように出力電圧を図
10のように補正する。つまり、電圧と電流の位相差に
相当する補正位相差のタイミングにて、予め決められた
補正量分を加減することにより、誤差電圧の影響を無く
す。ここで、前記補正位相差は、インバータ負荷によっ
て変動する。そこで、検出された電流値に対し、図11
に示すような一次の関係式に置き換え補正位相差を決定
する。これにより負荷が変動しても良好な電圧波形を得
ることができる。この方式は、電流の位相を直接計測す
る必要がないため、位相を計測するために必要となるC
Tなどの高価なセンサなしで、電圧波形生成が行えるた
め、コストの面からも、安定性の面からも有利である。
び通信手段44は、専用のハード回路で実現しても、マ
イクロコンピュータを利用したソフトウェアで実現して
もかまわない。
置では、スイッチング素子、ゲート駆動回路、通信手
段、インバータ制御器、制御用電源回路とを備え、これ
らが実装された回路基板および端子台が合成樹脂材で一
体成型された一体形モジュールとして構成されているた
め、それら構成要素を個別に設置するスペースが不要と
なり、さらにそれらの間の配線も不要となるため、シス
テムの小型化および組立工数の低減が達成され、さらに
それによりシステム装置の信頼性向上およびコスト低減
に寄与することができる。
する素子温度検出手段を備え、その温度検出値とその変
動値に基づき前記交流出力を制限する機能を備えたこと
により、インバータ装置単体でスイッチング素子等の構
成素子を加熱から保護される。
出手段を備え、検出された電圧の最小値に従い交流出力
電圧を補正するため、電源電圧変動、負荷による電圧降
下があっても常に出力電圧は一定となるので、効率運転
が実施され過電流保護の発生が防止される。
じめ定められた補正電圧およびその補正電圧を加える位
相に従い、インバータの交流出力電圧波形を補正するこ
とにより、出力電流の極性を検出することなく簡単な構
成により安定したデッドタイム補正が行うことができ、
インバータ装置の効率を上昇することができるものであ
る。
図
テム構成図
器のブロック図
係を表した特性図
る出力周波数の関係を表した特性図
の予測原理を表した特性図
原理を表した周波数/電圧特性図
電源電圧の変動の一例を表した特性図
ッドタイムによる電圧偏差の発生原理を表した波形図
補正方法を表した波形図
算手段において演算される補正位相量と電流との間の関
係の一例を示す特性図
Claims (8)
- 【請求項1】複数個のスイッチング素子、前記スイッチ
ング素子を駆動するゲート駆動回路、外部と指令周波数
などの信号入出力を行う機能を有した通信手段、前記通
信手段により得られた指令周波数の交流を出力するため
の前記ゲート駆動回路への信号を出力するインバータ制
御器、少なくとも前記インバータ制御器に使用する信号
電源を供給する制御用電源回路とを備え、直流電源を入
力として与えられた指令周波数の交流を出力するインバ
ータ装置において、前記スイッチング素子、前記ゲート
駆動回路、前記通信手段、前記インバータ制御器、前記
制御用電源回路が実装された回路基板および端子台が、
合成樹脂材で一体成型された一体形モジュールを用いて
構成したことを特徴とするインバータ装置。 - 【請求項2】前記インバータ制御器が、前記通信手段に
より得られた指令周波数に対し対応した出力電圧を演算
する出力電圧演算手段および前記ゲート駆動回路への出
力信号を演算するPWM演算手段を備えたことを特徴と
する請求項1記載のインバータ装置。 - 【請求項3】前記スイッチング素子の温度を検出する素
子温度検出手段を備え、前記インバータ制御器が、前記
素子温度検出手段により検出された温度値がある所定値
を越えた場合に異常状態と判断し、前記PWM演算手段
に対し交流出力の停止指令を出力し、さらに異常信号を
前記通信手段を通し外部へ送信する機能を有した加熱判
断手段を備えたことを特徴とする請求項2記載のインバ
ータ装置。 - 【請求項4】前記インバータ制御器が、前記素子温度検
出手段により検出された温度値およびその時間変動に基
づいて、前記PWM演算手段に対し交流出力の周波数を
制限する指令を出力する機能を有した温度制御手段を備
えたことを特徴とする請求項3記載のインバータ装置。 - 【請求項5】直流電源入力電圧を検出する電圧検出手段
を備え、前記インバータ制御器は、検出された電圧の最
小値を演算する最小電圧値検出手段、その最小電圧値と
あらかじめ定められた所定の基準電圧値との偏差を演算
する電圧偏差演算手段とを備え、前記出力電圧演算手段
は、その電圧偏差値を用いて指令周波数により決定され
る出力電圧に補正を加える機能を有することを特徴とす
る請求項2記載のインバータ装置。 - 【請求項6】前記インバータ制御器における前記PWM
演算手段は、あらかじめ定められた補正電圧およびその
補正電圧を加える位相値に従い、交流出力電圧波形に補
正を加える機能を有したことを特徴とする請求項2記載
のインバータ装置。 - 【請求項7】直流電源入力電流を検出する電流検出手段
を備え、前記インバータ制御器は、検出された電流値に
従い補正電圧および位相を決定する補正電圧位相演算手
段を有し、前記PWM演算手段は決定された補正電圧、
位相に基づき交流出力電圧波形に補正を加えることを特
徴とする請求項2記載のインバータ装置。 - 【請求項8】請求項1〜7記載のインバータ装置と、前
記インバータ装置に対し少なくともインバータの指令周
波数を設定する機能を有したシステム制御装置とを具備
したことを特徴とするインバータ制御システム装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17341997A JP3475727B2 (ja) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | インバータ装置およびインバータ制御システム装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH1118436A true JPH1118436A (ja) | 1999-01-22 |
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JP17341997A Expired - Fee Related JP3475727B2 (ja) | 1997-06-30 | 1997-06-30 | インバータ装置およびインバータ制御システム装置 |
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