(57)【要約】【課題】  スイッチング素子の焼損を防止しつつトルクの低下を防止する。【解決手段】  直流電圧が印加されている電源ライン８Ｐ、８Ｎ間に、直列に接続された２つで１組のＩＧＢＴ１０ｕ、１０ｄ、１２ｕ、１２ｄ、１４ｕ、１４ｄが、３組互いに並列に接続され、各組におけるＩＧＢＴの相互接続点が、三相モータ６に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して、三相モータ６に印加するインバータが空間ベクトル変調によって６つのモードで三相モータ６を制御する。ＩＧＢＴが６つのモードのうち１つのモードに固定されたと判断されたとき、少なくとも２つのモードに振り分けるようにＩＧＢＴを切り換える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧が印加されている第１及び第２の電源ライン間に、直列に接続された２つで１組のスイッチング素子が、３組互いに並列に接続され、各組における前記スイッチング素子の相互接続点が、三相モータに接続され、前記直流電圧を交流電圧に変換して、前記三相モータに印加する電力変換装置において、前記スイッチング素子の連通及び遮断による６つのモードで前記三相モータを制御する電力変換装置の制御方法において、
前記６つのモードのうち１つのモードに前記スイッチング素子が固定されたと判断されたとき、少なくとも２つのモードに振り分けるように前記スイッチング素子を切り換える
電力変換装置の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置の制御方法において、前記少なくとも２つのモードのうち、１つのモードは、前記のうち固定されたモードである電力変換装置の制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換装置の制御方法において、前記少なくとも２つのモードのうち他方のモードは、前記固定されたモードよりも前記三相モータを正転させる方向のモードである電力変換装置の制御方法。
【請求項４】
請求項１記載の電力変換装置の制御方法において、前記振分は前記６つのモードに対して行われる電力変換装置の制御方法。
【請求項５】
請求項１記載の電力変換装置の制御方法において、前記固定されたモードよりも前記三相モータを正転させる方向のモードで前記スイッチング素子を切り換える電力変換装置の制御方法。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか記載の電力変換装置の制御方法において、前記電力変換装置が空間ベクトルパルス幅変調方式であって、前記２つ以上のモードに振り分けるとき、前記パルス幅変調におけるスイッチングキャリアの周波数を、振分前よりも低減させる電力変換装置の制御方法。
【請求項７】
請求項１乃至５いずれか記載の電力変換装置の制御方法において、前記三相モータへの電流が予め定めた電流設定値以下、または前記三相モータの要求トルクが予め定めたトルク設定値以下のとき、前記振分を行わない電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを例えばインバータのような電力変換装置で駆動する際の電力変換装置の制御方法に関し、特に、モータの負荷が大きくなってモータが回転不能な状態が継続するモータロックを生じた場合の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータロックが生じたまま放置すると、電力変換装置において使用しているスイッチング素子が焼損することがある。その解決法として、例えば特許文献１に開示されている技術では、モータロックが発生したとき、モータが発生するトルクを一定のダウンレートで低下させてから、一定のアップレートでトルクを増加させることを繰り返し、平均トルクを低下させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術によれば、電力変換装置のスイッチング素子の焼損を防止することができる。しかし、低下させる前のトルクであれば、モータロック状態から脱出できる程度に、何らかの原因で負荷が小さくなったとしても、トルクが低下しているのでモータロック状態から脱出できない可能性がある。
【０００５】
本発明は、モータロック状態において、スイッチング素子の焼損を防止することができつつ、トルクの低下を防止した電力変換装置の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の電力変換装置の制御方法において制御される電力変換装置は、例えばインバータであって、直流電圧が印加されている第１及び第２の電源ライン間に、直列に接続された２つで１組のスイッチング素子が、３組互いに並列に接続されている。各組における前記スイッチング素子の相互接続点が、三相モータに接続され、前記直流電圧を交流電圧に変換して、前記三相モータに印加する。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等を使用することができる。この制御方法は、この電力変換装置のスイッチング素子の連通及び遮断によって、６つのモードで三相モータを制御する。例えば空間ベクトル変調方式に従って、上記６つのモードを順に実行して三相モータを制御する。実行方向を変更することによって、前記三相モータを例えば正転から逆転に回転方向を変更することができる。これら６つのモードのうち１つのモードに前記スイッチング素子が固定されたと判断されたとき、少なくとも２つのモードに振り分けて前記スイッチング素子が切り換えられる。
【０００７】
このように構成すると、１つのモードでスイッチング素子に長時間にわたって電流が流れることがないので、スイッチング素子が焼損することを防止できる。また、モードを振り分けただけであり、三相モータに流す電流は減少させていないので、トルクの低下を防止でき、１つのモードに固定する原因が解除されると、自動的にモータが回転する。
【０００８】
上記振り分けられる少なくとも２つのモードのうち１つは、前記固定されたモードとすることができる。固定されたモードを使用しているので、モードを固定する原因が解除されると、瞬間的に必要とされるトルクを発生することができる。
【０００９】
更に、前記少なくとも２つのモードのうち他方のモードは、前記固定されたモードよりも前記三相モータを正転させる方向のモードとすることができる。このように構成すると、トルクが正転方向で大きくなる２つのモード間で三相モータを制御するので、三相モータのトルクを大きくすることができる。
【００１０】
上記の態様において、振分を６つの全てのモードに対して行うことができる。このように６つのモードに振り分けると、三相モータへの電流を各スイッチング素子に分散させて流すことができるので、更に焼損の虞を低減することができる。
【００１１】
前記固定されたモードよりも前記三相モータを正転させる方向のモードで前記スイッチング素子を切り換えることもできる。このように構成すると、トルクの低減を抑えることができる。
【００１２】
上記の各態様のいずれかにおいて、前記電力変換装置が空間ベクトルパルス幅変調方式であって、前記２つ以上のモードに振り分けるとき、前記パルス幅変調におけるスイッチングキャリアの周波数を、振分前よりも低減させることもできる。このように構成すると、スイッチング素子でのスイッチング損失を低減させることができる。
【００１３】
上記の各態様のいずれかにおいて、前記三相モータへの電流が予め定めた電流設定値以下、または前記三相モータの要求トルクが予め定めたトルク設定値以下のとき、前記振分を行わないようにすることもできる。このように構成すると、スイッチング素子の焼損の虞のないときには、三相モータにおいて必要なトルクを維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、モータロック状態が生じても、スイッチング素子の焼損を防止できる上に、三相モータのトルクを維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の電力変換装置の制御方法が実施される建設機械のブロック図である。
【図２】図１に示すインバータの詳細な回路図である。
【図３】インバータの空間ベクトル図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の電力変換装置の制御方法の説明図である。
【図５】図４の制御方法によるインバータの制御状態を示す図である。
【図６】図１の建設機械の動作フローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態の電力変換装置の制御方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の第１の実施態様の電力変換装置の制御方法が実施される電力変換装置、例えばインバータ２は、図１に示すように、例えば建設機械に備えられているモータ、例えば旋回体４を旋回させる三相モータ、具体的には三相誘導モータ６を駆動するために使用されている。なお、三相モータ６は、旋回体４を旋回させるためのものだけでなく、建設機械が備えているアームやブーム等を駆動するために使用することもある。
【００１７】
インバータ２は、図２に示すように、第１及び第２の電源ライン、例えば正電源ライン８Ｐ及び負電源ライン８Ｎを有し、これら正電源ライン８Ｐと負電源ライン８Ｎとの間に、正電源ライン８Ｐを正極に、負電源ライン８Ｎを負極にした状態で直流電圧が印加されている。
【００１８】
２つのスイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１０ｕ、１０ｄが、それらの導電路、例えばエミッタ−コレクタ導電路を直列に接続した状態で、正電源ラインＰと負電源ラインＮとの間に接続されている。同様にＩＧＢＴ１２ｕ、１２ｄの直列回路、ＩＧＢＴ１４ｕ、１４ｄの直列回路が正電源ライン８Ｐと負電源ライン８Ｎとの間に接続されている。これらＩＧＢＴ１０ｕ乃至１４ｄによってインバータブリッジが構成されている。ＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｕ、１４ｕが、インバータブリッジの上側アームを構成し、ＩＧＢＴ１０ｄ、１２ｄ、１４ｄが、インバータブリッジの下側アームを構成している。各ＩＧＢＴ１０ｕ乃至１４ｄには、それぞれ逆並列にダイオード１６が接続されている。
【００１９】
ＩＧＢＴ１０ｕ、１０ｄの相互接続点、同１２ｕ、１２ｄの相互接続点、同１４ｕ、１４ｄの相互接続点が、三相モータ６の各電機子（図示せず）のＵ、Ｖ、Ｗ相に接続されている。
【００２０】
これらＩＧＢＴ１０ｕ乃至１４ｄは、図１に示す制御手段、例えば制御部１８によって操作部２０からの操作指令に応じて連通、遮断、即ちオン、オフ制御され、その結果、三相モータ６の回転が制御され、旋回体４の旋回が制御される。この制御部１８による制御は、公知の空間ベクトル変調、例えば空間ベクトルパルス幅変調によって行われる。制御部１８の構成は、公知であるので、詳細な説明は省略する。
【００２１】
空間ベクトルパルス幅制御では、三相電圧波形を図３に示すようなベクトル図に置き換え、図３に示す０００、１００、１１０、０１０、０１１、００１、１０１、１１１の３桁の１と０で表される８つのモード、例えばスイッチングパターンで考える方式で、これらスイッチングパターンにおいて「１」は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の上側アームのＩＧＢＴがオンで、下側アームのＩＧＢＴがオフであることを表し、「０」は、Ｕ、Ｖ、Ｗ層の上側アームのＩＧＢＴがオフで、下側アームのＩＧＢＴがオンであることを示している。スイッチングパターンにおける３桁は、左側の桁がＵ相を表し、中央の桁がＶ相を表し、右側の桁がＷ相を表す。スイッチングパターン１００での電圧ではＵ相が最大電圧で、スイッチングパターン０１０での電圧では、Ｖ相が最大電圧で、スイッチングパターン００１での電圧はＷ相が最大電圧である。各スイッチングパターンの隣接するスイッチングパターン間のセクター間のベクトルの大きさは、その隣接する２つのスイッチングパターンでの最大電圧と、ホールド時間とによって決定される。例えばスイッチングパターン１００とスイッチングパターン１１０との間のセクタ−でのベクトルの大きさは、スイッチングパターン１００での最大電圧をＥ（１００）、ホールド時間をＴ１、スイッチングパターン１０１の最大電圧をＥ（１０１）、ホールド時間をＴ２とすると、Ｅ（１００）＊Ｔ１＋Ｅ（１０１）＊Ｔ２で計算でき、ベクトルホールド時間Ｔ１とＴ２とを変化させることによってこのセクターで円を描くようにベクトルを回転させることができる。これを各セクターで行うことによって、三相交流を出力することができる。三相モータ４を正転させる場合には、空間ベクトルを順にスイッチングパターン１００から、１０１、００１・・・１１０、１００と変化させ、逆転させる場合には、順に１００、１１０、０１０、・・・１０１、１００と変化させる。この空間ベクトルの変更は、操作部２０からの旋回体４の位置指示に基づいて制御部１８が行う。
【００２２】
本来、上記のように円を描くようにベクトルを回転させるので、特定のスイッチングパターンに固定されて電流が流れ続けることが無いはずであるが、特定のスイッチングパターンに固定されて、電流が流れ続ける、いわゆるモータロックが生じることがある。例えばスイッチングパターン１００が継続した場合、図２におけるＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｄ、１４ｄがオンを継続する。
【００２３】
この原因としては、例えば建設機械において、三相モータ６の位置指令が固定された場合がある。この他には、建設機械においてショベルの位置が勝手に移動することを防止するために、操作部２０のショベルの操作レバーが中立位置にあるとき、その位置から動かないように制御を行うが、そのとき外力等によってショベルに横方向の線化力が加わった場合がある。或いは、速度制御モードで旋回体４を旋回させていて、法面などに押し当て動作となり、三相モータ６が停止トルクを出す場合でも、位置変動が無くなり、完全に位置が固定された状態で停止トルクを出している場合がある。
【００２４】
このように特定のスイッチングパターンで電流が流れている状況が継続すると、上記の例ではＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｄ、１４ｄのオンが継続し、発熱してＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｄ、１４ｄが焼損する可能性がある。
【００２５】
そこで、例えばスイッチングパターン１００と、このスイッチングパターン１００よりも三相モータ６を正転させる方向にあるスイッチングパターン、例えば隣接するスイッチングパターン１０１との間のセクターに空間ベクトルの指示があるにも拘わらず、特定のスイッチングパターンで電流が流れ続けて、例えば上述したようにＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｄ、１４ｄがオンになったままであるとすると、その特定のスイッチングパターンと、これに隣接するスイッチングパターン、例えば１０１との中間地点、例えば図４に太い矢印で示すスイッチングパターン１００と１０１との中間地点に制御部１８は電圧ベクトルを設定する。この状態では、制御部１８が空間ベクトルパルス幅変調で各ＩＧＢＴ１０ｕ乃至１４ｄを制御するように構成されている限り、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、スイッチングパターン１００と１０１とで５０％の比率（上述したＴ１とＴ２とがスイッチングキャリア周期Ｔ２の１／２）でスイッチングが行われるので、完全に固定されたスイッチングパターンが維持される場合よりも、ＩＧＢＴへの電流集中が回避される。
【００２６】
即ち、図５（ａ）に示すようにＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｄ、１４ｄがオンで、他のＩＧＢＴがオフの状態と、同図（ｂ）に示すようにＩＧＢＴ１０ｕ、１４ｕ、１２ｄがオンで他のＩＧＢＴがオフの状態とが繰り返される。ここで、実際に状態が切り換えられるＩＧＢＴはＩＧＢＴ１４ｕ、１４ｄで、ＩＧＢＴ１４ｄがオン、ＩＧＢＴ１４ｕがオフの状態から、ＩＧＢＴ１４ｄがオフ、ＩＧＢＴ１４ｕがオンの状態に切り換えられ、ＩＧＢＴ１０ｕ、１０ｄ、１２ｕ、１２ｄの状態は変化しない。どちらのスイッチングパターンでも変化しない。
【００２７】
同図（ａ）の場合、ＩＧＢＴ１０ｕにＩ（Ａ）の電流が流れているとき、ＩＧＢＴ１２ｄ、１４ｄにはそれぞれＩ／２（Ａ）の電流が流れるが、同図（ｂ）の場合、ＩＧＢＴ１０ｕ、１４ｕには、Ｉ／２（Ａ）の電流が流れ、ＩＧＢＴ１２ｄにＩ（Ａ）の電流が流れる。従って、ＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｄには継続的にＩ（Ａ）の電流が流れず、Ｉ（Ａ）とＩ／２（Ａ）の電流が交互に流れる。また、ＩＧＢＴ１４ｕ、１４ｄには、間欠的にＩ／２（Ａ）の電流が流れる。従って、特定のＩＧＢＴ、例えばＩＧＢＴ１０ｕ、１２ｄ、１４ｄが焼損することを防止できるし、三相モータ６に流れている電流は、特定のスイッチングパターンに固定されていた場合と同じであるので、発生トルクに変化はない。
【００２８】
なお、このような動作となった場合、各ＩＧＢＴのスイッチングキャリア周波数を低減させることによって、スイッチング損失による発熱を低減させることが望ましい。
【００２９】
このようにスイッチングパターン１００と１０１とを交互に繰り返すと、旋回体４は、正転及び逆転を微小な間隔で繰り返すことになる。しかし、建設機械の旋回体４の旋回は、旋回体４が備える減速機によって三相モータ６の回転が１／１００倍程度に減速されており、三相モータ６の物理的回転角度の１度は、旋回体４の回転角度では０．０１度に相当する。仮に、旋回体４が備えるショベル先端の半径が作業時に５ｍであるとすると、三相モータ６が１度回転したときの、ショベル先端の移動は０．８７ｍｍに過ぎない。三相モータ６が仮に６極のものであるとすると、１Ｈｚのインバータ周波数で毎秒１／３回転、即ち１２０度回転する。上述したようにインバータ２は１００から１１０までの６つのスイッチングパターンを持っているので、或るスイッチングパターンから隣接するスイッチングパターンまでスイッチングパターンが変化すると、三相モータ６は２０度回転することになる。これを先の減速比に当てはめると、旋回体４のショベル先端は、１７．４ｍｍ移動することになる。電流集中を防止するために、１セクター分を前後してスイッチさせると、±１７．４ｍｍ先端部が揺動するだけであり、揺動が問題となることはない。
【００３０】
このような制御をする場合、制御部１８は、図６のフローチャートのように動作する。まず、三相モータ６に流れる電流が予め定めた電流設定値以上であるか、または三相モータ６の要求トルクが予め定めたトルク設定値以上であるかを判断する（ステップＳ２）。この判断の答えがノーの場合、通常の空間ベクトルパルス幅変調制御を行い（ステップＳ４）、再びステップＳ２を実行する。これによって、焼損の虞のないときには、三相モータ６から要求トルクを発生させることを維持できる。
【００３１】
ステップＳ２の判断の答えがイエスの場合、空間ベクトルの実際値または実際値とするために制御部１８で生成した演算値が予め定めた時間ｔ以上、固定されているか判断する（ステップＳ６）。この判断の答えがノーの場合、ステップＳ２を再び実行する。この判断の答えがイエスの場合、モータロック状態にあると判断できるので、空間ベクトルの実際値または演算値の両側に位置する２つのスイッチングパターンによって上述したように振分制御を行う（ステップＳ８）。この場合、キャリア周波数を低下させることもできる。
【００３２】
次に、操作部２２の旋回体４に対する操作部２０の操作レバーに変化がないか判断し（ステップＳ１０）、その答えがノーの場合、即ち操作レバーに変化がある場合、旋回体４を現在と異なる状態とすることが指示されているので、焼損防止を図る必要が無いので、ステップＳ２を実行する。
【００３３】
ステップＳ１０の判断の答えがイエスの場合、即ち操作レバーに変化がない場合、空間ベクトルの実際値が、予め定めた設定値、例えばステップＳ８の２つのスイッチングパターンの外側にあるか判断する（ステップＳ１２）。この判断の答えがノーの場合、モータロック状態を解消できていないので、再びステップＳ８から実行する。ステップＳ１２の判断の答えがイエスの場合、モータロック状態が解消されているので、ステップＳ２から実行する。
【００３４】
第２の実施形態の電力変換装置の制御方法は、旋回体４のショベルの先端が揺動しても問題とならない場合のもので、図７に示すように例えば空間ベクトルがスイッチングパターン１１０と０１０との間のセクターで固定された場合、太い矢印で示すようにスイッチングパターン１１０と０１０との中間地点に新たな空間ベクトルを設定する。この設定された空間ベクトルを中心として、全スイッチングパターンに変化させて半周期分の電圧ベクトルの変動を与えて、スイッチングされるＩＧＢＴを変化させて電流集中を回避している。
【００３５】
具体的には、設定された空間ベクトルと対称の位置にある空間ベクトルの両側にあるスイッチングパターン、例えば００１と１０１との間で空間ベクトルを往復させることによって三相モータ６に供給される電圧の振幅を変化させる。即ち、空間ベクトルをスイッチングパターン０１０から０１１を経て００１まで変化させ、次にスイッチングパターン００１から０１１、０１０、１１０、１００を経て１０１まで変化させる。最後にスイッチングパターン１０１から１００を経て１１０まで変化させる。以下、これを繰り返す。これによって、６つのスイッチングパターンの全てのスイッチングパターンが使用される。設定された空間ベクトルを制御部１８において変動させる。
【００３６】
第１の実施形態では、例えばスイッチングパターン１００で固定された場合、スイッチングパターン１００と１０１とを実行したが、スイッチングパターン１００から１０１を経て００１までのスイッチングパターンを実行したり、スイッチングパターン１００から１０１、００１を経て０１１を実行したり、スイッチングパターン１００から１０１、００１、０１１を経て０１０までのスイッチングパターンを実行したりすることができる。また、スイッチングパターン１００で固定された場合、スイッチングパターン１１０と１００とを実行したり、スイッチングパターン１１０から１００を経て１００までを実行したり、スイッチングパターン０１０から１１０、１００、１０１を経て００１までを実行したりすることもできる。上記の両実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを使用したが、これに代えてＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ等を使用することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
２  インバータ
６  三相モータ
８Ｐ  正電源ライン（第１の電源ライン）
８Ｎ  負電源ライン（第２の電源ライン）
１０ｕ乃至１４ｄ  ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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