(57)【要約】  バッテリとインバータの電子部品の両方を十分な信頼性をもって保護することができるインバータ装置とその制御方法を提供する。  電源系統とは別にインバータの直流母線に電源バックアップ用のバッテリ（３）を備え、交流モータ（２）を駆動するインバータ装置において、インバータの直流母線の過渡電圧とバッテリの過渡電圧を検出する電圧レベル判定器（４）と、インバータの直流母線の過渡電圧とバッテリの過渡電圧を比較する比較回路（９）と、比較回路の比較結果である差電圧に基づいて交流モータの減速動作パターンを切替るインバータ制御部（６）を有するものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源系統とは別にインバータの直流母線に電源バックアップ用のバッテリを備え、交流モータを駆動するインバータ装置において、
前記インバータの直流母線の過渡電圧と前記バッテリの過渡電圧を検出する電圧レベル判定器と、前記インバータの直流母線の過渡電圧と前記バッテリの過渡電圧を比較する比較回路と、前記比較回路の比較結果である差電圧に基づいて前記交流モータの減速動作パターンを切替るインバータ制御部を有することを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記減速動作パターンは、予め設定した減速レートで減速する通常減速パターン、前記通常減速パターンよりも減速レートを伸ばすパターン、ゼロベクトル出力パターンのいずれかを有する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】
前記インバータ制御部は、前記差電圧に基づいて前記交流モータの減速動作パターンを予め設定した減速レートで減速する通常減速パターン、前記通常減速パターンよりも減速レートを伸ばすパターン、ゼロベクトル出力パターンの順に切替る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４】
「０≦差電圧Ｖ≦第１設定値」の場合は、予め設定した減速レートで減速し、「第１設定値≦差電圧Ｖ＜第２設定値」の場合は、減速レートを通常減速よりも延ばし、「第２設定値≦差電圧Ｖ＜第３設定値」の場合は、ゼロ電圧ベクトル出力パターンを出力し、「第３設定値≦差電圧Ｖ」の場合は、インバータの主回路トランジスタをゲートブロックする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５】
前記差電圧が所定の保護レベルを超えた場合、インバータの主回路トランジスタをゲートブロックする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６】
前記交流モータの巻線が低速高速巻線と高速巻線を有しこれらの巻線を切替ることができる交流モータの場合、インバータの主回路トランジスタをゲートブロックする際に巻線切替用のスイッチをオープンにすることを特徴とする請求項５記載のインバータ装置。
【請求項７】
前記ゼロベクトル出力パターンはＰ側（正側）またはＮ側（負側）のトランジスタのみを全て同時にＯＮするものである請求項２乃至４のいずれかに記載のインバータ装置。
【請求項８】
電源系統とは別にインバータの直流母線に電源バックアップ用のバッテリを備え、交流モータを駆動するインバータ装置の制御方法において、
前記インバータの直流母線の過渡電圧と前記バッテリの過渡電圧を検出し、前記インバータの直流母線の過渡電圧と前記バッテリの過渡電圧を比較し、比較回路の比較結果である差電圧に基づいて前記交流モータの減速動作パターンを切替ることを特徴とするインバータ装置の制御方法。
【請求項９】
前記減速動作パターンは、予め設定した減速レートで減速する通常減速パターン、前記通常減速パターンよりも減速レートを伸ばすパターン、ゼロベクトル出力パターンのいずれかを有することを特徴とする請求項８記載のインバータ装置の制御方法。
【請求項１０】
インバータ制御部は、前記差電圧に基づいて前記交流モータの減速動作パターンを予め設定した減速レートで減速する通常減速パターン、前記通常減速パターンよりも減速レートを伸ばすパターン、ゼロベクトル出力パターンの順に切替ることを特徴とする請求項８記載のインバータ装置の制御方法。
【請求項１１】
「０≦差電圧Ｖ≦第１設定値」の場合は、予め設定した減速レートで減速し、「第１設定値≦差電圧Ｖ＜第２設定値」の場合は、減速レートを通常減速よりも延ばし、「第２設定値≦差電圧Ｖ＜第３設定値」の場合は、ゼロ電圧ベクトル出力パターンを出力し、「第３設定値≦差電圧Ｖ」の場合は、インバータの主回路トランジスタをゲートブロックすることを特徴とする請求項８記載のインバータ装置の制御方法。
【請求項１２】
前記差電圧が所定の保護レベルを超えた場合、インバータの主回路トランジスタをゲートブロックすることを特徴とする請求項８記載のインバータ装置の制御方法。
【請求項１３】
前記交流モータの巻線が低速高速巻線と高速巻線を有しこれらの巻線を切替ることができる交流モータの場合、インバータをゲートブロックする際に巻線切替用のスイッチをオープンにすることを特徴とする請求項１２記載のインバータ装置の制御方法。
【請求項１４】
前記ゼロベクトル出力パターンはＰ側（正側）またはＮ側（負側）のトランジスタのみを全て同時にＯＮするものである請求項９乃至１１のいずれかに記載のインバータ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流モータを駆動、制御するインバータ装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、モータ駆動用のインバータ装置の直流部にバッテリを接続して、バックアップ機能を持たせるシステムは存在する。また、電気自動車では、バックアップではなくメインの電源としてバッテリを使用する。バッテリを交流モータの回生エネルギーの吸収要素として考える場合、交流モータの減速運転時には、バッテリが満充電に近いときは所定の回生制動力が得られなくなることがある。この問題を回避するためバッテリの充電状態を監視し、バッテリの充電状態に応じて交流モータの運転状態を調整する方法がある（例えば特許文献１参照）。運転状態の調整としては、バッテリが満充電の場合にインバータで還流モードを作り、バッテリに充電された電荷をモータで放電し、次に充電可能状態にするものである。また、これとは異なり、バッテリの端子電圧を監視し、モータのトルク制限値を操作する方法（例えば特許文献２参照）がある。何れの場合も、モータの減速時にバッテリの充電状態によって回生制動電力を吸収できない場合を想定し対策をとったものである。
図５は従来のインバータ装置の構成図である。図５において、１はインバータ、２はモータ、３はインバータの直流母線に並列接続したバッテリ、４は電圧レベル判定器、５は回生／還流モード選択器、６はインバータ制御部、７は速度検出器である。Ｐはインバータ１の正側直流母線、Ｎはインバータ１の負側直流母線である。バッテリ３がモータ２の回生エネルギーを吸収できない過充電状態であるか否かを電圧レベル判定器４によって判定する。回生／還流モード選択器５が過充電状態と判定した場合は、回生モードからエネルギーを消費する還流モードに切替る。この動作の中で、トルク電流を絞り、励磁電流成分を増やすことでバッテリ３のエネルギーをモータ内部の熱損失として消費する。
図６は従来のインバータ装置のその他の構成図である。図６において、１はインバータ、２はモータ、３はバッテリ、６はインバータ制御部、７は速度検出器、８は電圧検出器である。バッテリ３の端子電圧を電圧検出器８で検出し、その電圧レベルによってインバータ制御部６の内部で、モータのトルク指令を選択したり、インバータ１の停止動作を選択したりする。
このように、従来の装置はバッテリ３の端子電圧を検出、監視しながら、インバータ１の動作を決定するものである。
【特許文献１】日本国特許出願公開  特開２００２−９５１０５号（図１）
【特許文献２】日本国特許第３１９５８７９号（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
直流部にバッテリを備えた従来のインバータ装置では、バッテリの端子電圧を検出、監視して、バッテリが満充電に近いときなどはモータの減速、または停止方法を変えたり、モータのトルクを変化させたりして、バッテリの電圧が異常値にならないように制御している。
しかし、インバータの直流母線とバッテリが直結される場合は、充放電はバッテリのインピーダンス特性に大きく左右され、この特性がインバータドライブシステムの応答性や冗長性を左右する。
通常、インバータの直流母線には平滑コンデンサが設置されており、平滑コンデンサとバッテリのインピーダンスは、平滑コンデンサが圧倒的に低い。したがって、バッテリの電圧だけを判定基準として、モータの減速、または停止方法を変えたり、モータのトルクを変化させたりしても、バッテリの端子電圧よりも平滑コンデンサの端子電圧のほうが高い状態になり、インバータに搭載している電子部品の耐電圧を超えてしまう危険性がある。すなわち、バッテリの端子と平滑コンデンサの端子は電気的には繋がっており定常状態では同電位になるものの、過渡的には電位差が生じてしまう。従来の技術は、バッテリの安全を考えた方法であるが、実際にはバッテリを守れてもインバータの電子部品である主回路ＩＧＢＴ、平滑コンデンサ等を十分な信頼性をもって保護できなかった。【０００４】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリの端子と平滑コンデンサの端子の過渡的な電位差を検出して、インバータの運転状態を決定し、バッテリとインバータの電子部品の両方を十分な信頼性をもって保護することができるインバータ装置とそ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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
電源系統とは別にインバータの直流母線に電源バックアップ用のバッテリを備え、交流モータを駆動するインバータ装置において、
前記インバータの直流母線の過渡電圧と前記バッテリの過渡電圧を検出する電圧レベル判定器と、前記インバータの直流母線の過渡電圧と前記バッテリの過渡電圧を比較する比較回路と、前記比較回路の比較結果である差電圧に基づいて前記交流モータの減速動作パターンを切替るインバータ制御部を有するものである。
また、請求項１において前記減速動作パターンは、予め設定した減速レートで減速する通常減速パターン、通常減速パターンよりも減速レートを伸ばすパターン、ゼロベクトル出力パターンのいずれかを有することを特徴とするものである。
また、請求項１においてインバータ制御部は、差電圧に基づいて前記交流モータの減速動作パターンを予め設定した減速レートで減速する通常減速パターン、前記通常減速パターンよりも減速レートを伸ばすパターン、ゼロベクトル出力パターンの順に切替ることを特徴とするものである。
また、０≦差電圧Ｖ≦第１設定値の場合は、予め設定した減速レートで減速し、第１設定値≦差電圧Ｖ＜第２設定値の場合は、減速レートを通常減速よりも延ばし、第２設定値≦差電圧Ｖ＜第３設定値の場合は、ゼロ電圧ベクトルを出力し、第３設定値≦差電圧Ｖの場合は、インバータをゲートブロックすることを特徴とするものである。
また、差電圧が所定の保護レベルを超えた場合、インバータをゲートブロックすることを特徴とするものである。
また、請求項５において交流モータの巻線が低速高速巻線と高速巻線を有しこれらの巻線を切替ることができる交流モータの場合、インバータをゲートブロックする際に巻線切替用のスイッチをオープンにすることを特徴とするものである。
また、請求項２乃至４においてゼロベクトル出力パターンはＰ側（正側）またはＮ側（負側）のトランジスタのみを全て同時にＯＮするものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、バッテリの端子電圧とインバータの直流母線電圧の差を検出できるので、例えばモータの減速時に、その電位差がある程度大きくなったときに、インバータに搭載した電子部品の耐圧を超える前に、減速方法を切替ることによりインバータに搭載した電子部品を保護することができる。
また、例えばモータの減速時に、バッテリの端子電圧とインバータの直流母線電圧の差が大きくなったときに、インバータの電子部品に過電圧がかかる事態を回避できる。
また、例えばモータの減速時に、バッテリの端子電圧とインバータの直流母線電圧の差が大きくなったときに、モータをフリーラン停止（惰走停止：Coast-to-stop）させる。これによりバッテリやインバータの直流母線の平滑コンデンサに対してのエネルギーの逆流を最小限に抑えることができる。ここでフリーラン停止とは、インバータ運転中に外部信号によって主回路トランジスタへの駆動信号を遮断し電動機への電力供給を停止させる動作。この場合、モータは制動力を発生せず、惰走しながら自然停止となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１実施例を示すインバータ装置の構成図
【図２】本発明のモータ減速時の平滑コンデンサとバッテリの端子電圧の挙動
【図３】本発明のモータ減速時の動作説明図
【図４】本発明による巻線切替式モータの場合のゲートブロック動作（モータフリーラン）
【図５】従来のインバータ装置の構成図
【図６】従来のインバータ装置の構成図
【図７】本発明のゼロベクトル出力（還流モード）の説明図
【符号の説明】
【０００８】
１  インバータ
２  モータ
３  バッテリ
４  電圧レベル判定器
５  回生／還流モード選択器
６  インバータ制御部
７  速度検出器
８  電圧検出器
９  比較回路
１０  ＳＷパターン生成部
１１  駆動回路
１２  巻線切替部
１３  Ｐ側トランジスタ
１４  Ｎ側トランジスタ
１５  ゼロベクトル時の電流
１６  平滑コンデンサ
SSW1、SSW2 半導体スイッチ
MSW1、MSW2 機械スイッチ
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明のインバータ装置の構成を示す。図において、１はインバータ、２はモータ、３はインバータの直流母線に並列接続したバッテリ、６はインバータ制御部、７は速度検出器、８は電圧検出器、９は比較回路、１０はスイッチングパターン生成部、１１は駆動回路、１６は平滑コンデンサである。インバータ制御部６はスイッチングパターン生成部１０と駆動回路１１を含んでいる。Ｐは正側直流母線、Ｎは負側直流母線であり平滑コンデンサ１６に接続される。インバータ１の出力側は負荷となるモータ２に接続し電力を供給する。電圧検出器８はバッテリ３と及び正負直流母線ＰＮの各々へ接続され所定のサンプリング毎に電圧を測定し、測定データを比較回路９へ出力する。比較回路９はインバータ制御部６と接続される。インバータ制御部６は比較回路９と速度検出器７のデータを入力しインバータ１の主回路スイッチング素子へゲート駆動信号を与えインバータ１を駆動する。【００１１】
次に動作を説明する。モータの回生制動時、モータからインバータ１の直流母線電圧に配置された平滑コンデンサ１６と、バッテリ３に電力が回生される。平滑コンデンサ１６とバッテリ３のインピーダンスは、平滑コンデンサ１６が圧倒的に低く、回生電力を吸収する際には過渡的には平滑コンデンサ１６の端子電圧のみ上昇し、バッテリ３の端子電圧との間に電位差が生じる。平滑コンデンサ１６の端子電圧とバッテリ３の端子電圧は電圧検出器８によって検出され、この電位差は比較回路９によって算出される。比較回路９によって算出された電位差のレベルによって、スイッチングパターン生成部（例えば特定用途向けＩＣであるASIC(Application Specific IC)など）で生成するスイッチングパターンを選択する。選択するスイッチングパターンとしては、通常の回生制動のスイッチングパターン、減速レートを延ばして回生制動エネルギーを小さくするスイッチングパターン、およびゼロベクトル（還流モード）を選択する。選択されたスイッチングパターンによって駆動回路１１を介して、インバータ１の主回路スイッチング素子をスイッチングする。【００１２】
図２は、モータの回生制動時のインバータの平滑コンデンサの端子電圧と、バッテリの端子電圧の過渡的な挙動を示す図である。図において、横軸は時間、縦軸は直流電圧を表す。時刻ｔａは減速開始時刻であり、この瞬間からモータが発電機動作となり回生電力に起因して平滑コンデンサ端子電圧がＶａから徐々に上昇する。平滑コンデンサとバッテリのインピーダンスは、平滑コンデンサが圧倒的に低いため、回生制動時の過渡現象としては、平滑コンデンサの端子電圧のみ上昇し、バッテリの端子電圧との間に大きな電位差が生じる。
時刻ｔｅは過渡現象が終わり定常状態となる時刻であり、時刻ｔｅ以後は平滑コンデンサ端子電圧とバッテリの端子電圧が同じ値Ｖｅとなる。【００１３】
図３は本発明のインバータ装置における、モータの回生制動時における平滑コンデンサ電圧と減速方法（インバータの減速動作パターン）との関係を表す説明図である。図において、横軸は時間軸、縦軸は平滑コンデンサの直流電圧を示す。定常時のバッテリ電圧Ｖａである時刻ｔａでモータ２が減速を開始し電動機が発電機動作となり回生電力が平滑コンデンサとバッテリへ供給開始される。平滑コンデンサとバッテリ電圧との過渡時電圧差を以下単に差電圧Ｖと言うことにする。差電圧（Ｖｂ−Ｖａ）、（Ｖｃ−Ｖａ）、（Ｖｄ−Ｖａ）の値はインバータの電子部品である主回路ＩＧＢＴ、平滑コンデンサ等の耐電圧を考慮して実運転前に予め設定しておく。差電圧（Ｖｂ−Ｖａ）、（Ｖｃ−Ｖａ）、（Ｖｄ−Ｖａ）を各々第１設定値、第２設定値、第３設定値とする。
（１）０≦差電圧Ｖ≦（Ｖｂ−Ｖａ）の場合は、通常減速をする。ここで通常減速とは予め設定した減速レートで減速することを意味する。
（２）（Ｖｂ−Ｖａ）≦差電圧Ｖ＜（Ｖｃ−Ｖａ）の場合は、減速レートを通常減速よりも延ばす。減速レートは単位時間当たりの速度である減速度の比率を表す。
（３）（Ｖｃ−Ｖａ）≦差電圧Ｖ＜（Ｖｄ−Ｖａ）の場合は、ゼロ電圧ベクトルを出力する。
（４）（Ｖｄ−Ｖａ）≦差電圧Ｖの場合は、インバータ１の主回路トランジスタのゲート遮断（ゲートブロック）をする。
ここでモータを制御する場合に使用する加減速レートとは、単純にいうと停止状態から起動してある速度に達するまでの傾き（通常時間で設定）および逆の動作時の傾きである。負荷に対してモータを加速或いは減速させるのに要する時間である。実使用時での設定は設定最高速度に対して秒で行う事が殆どである。例えばインバータとかで最高速度を60Hzと設定し、モータが60Hz定格1800rpmの物を使用した場合で加速時間2秒，減速時間1.5秒に設定すると、0〜1800rpmまで2秒で到達、1800rpm〜停止まで1.5秒になる。
以上のようにモータの回生制動時に、インバータの平滑コンデンサの端子電圧とバッテリの端子電圧との間に差電圧が生じた場合、その差電圧によって、(1)通常減速、(2)減速レートを延ばす、(3)ゼロベクトル出力（還流モード）、(4)IGBTゲートブロックによる保護動作（モータのフリーラン）を切替る。【００１４】
図４はモータが低速巻線と高速巻線を持つ巻線切替式のモータの場合を示す。ここで低速巻線とはモータ巻線Ｗ１とＷ２の全てを使用するものである。一方、高速巻線とはモータ巻線の一部分のＷ２を短絡して残りの巻線Ｗ１だけを使用するものである。この保護動作には、巻線切替スイッチをオープンにすることで、フリーラン状態を作る。巻線切替スイッチは図中の１２に巻線切替部として示しており、半導体スイッチ（SSW1、SSW2）と機械スイッチ（MSW1、MSW2）の組み合わせの例である。巻線切替部の構成は、これに縛られるものではない。
このように、本発明では、バッテリの端子電圧とインバータの直流母線の平滑コンデンサの端子電圧の差を検出し、その電位差を基にインバータのスイッチングパターンを変えることで減速方法を選択するので、例えばモータの減速時に、回生制動電力の吸収能力の差で電位差が発生した場合に、そのレベルによって減速方法を切替、インバータに搭載した電子部品の耐圧を超える前にインバータに搭載した電子部品を保護することができる。【００１５】
また、モータが低速巻線と高速巻線を持つ巻線切替式のモータの場合、バッテリの端子電圧とインバータの直流母線の平滑コンデンサの端子電圧の差が大きくなり、前述の減速方法によって減速しても、なお端子電圧の差が大きくなり、あるレベルを超えた場合のモータのフリーラン動作には、巻線切替用のスイッチをオープンにすることで、フリーラン状態を作る。
図７は、ゼロベクトル出力（還流モード）の一例である。図はＰ側（正側）のトランジスタ１３のみを全て同時にＯＮした状態を示す。この状態ではモータの回生電力はモータとＰ側（正側）のトランジスタ１３との閉ループに電流が流れ、主としてモータ内の巻線で回生電力が消費される。
この反対に、Ｎ側（負側）のトランジスタ１４のみを全て同時にＯＮすることでもＮ側のゼロベクトルを作ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、工作機械主軸駆動用、巻上・巻下機械駆動用、クレーン用、エレベータ用、電気自動車、電気自動車とガソリンエンジンの両方を備えたハイブリッド自動車用、風力発電システム用電動機とその電動機駆動用インバータに適用することができる。
【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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【国際調査報告】
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2009101859.tif 000011
2009101859.tif 000012
2009101859.tif 000013