(57)【要約】【課題】安価な１電流センサ方式を用いても、少ない処理時間でリプル電流を無視して電流検出できるインバータ装置を提供する。【解決手段】入力される直流電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機に向けて出力する主回路１２と、主回路１２を制御する制御手段と、主回路１２に流れる直流電流を検出する電流センサ１４と、を備え、制御手段は、直流電流を検出するのに移動処理を適用するとともに、移動処理を適用する際に、検出された直流電流を補正する、ことを特徴とする。この補正は、交流電動機の回転速度と、交流電動機の電流値又はトルクと、に対応づけて特定される係数に基づいて行われるのがよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される直流電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機に向けて出力するインバータと、
前記インバータを制御する制御手段と、
前記インバータに流れる直流電流を検出する電流検出手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記直流電流を検出するのに移動処理を適用するとともに、
前記移動処理を適用する際に、検出された前記直流電流を補正する、
ことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
前記補正は、
前記交流電動機の回転速度と、前記交流電動機の電流値又はトルクと、に対応づけて特定される係数に基づいて行われる、
請求項１に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流を高精度に検出できる交流電動機のインバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ装置による電動機の制御においては、インバータから電動機へ流れる３相交流電流を検出する必要がある。この３相交流電流の検出方法として、例えば、特許文献１には、インバータの入力側に設けられた１つの電流センサによって、３相交流電流を検出する方法が開示されている。具体的には、特許文献１には、インバータが備える各相に対応するスイッチング素子のオン／オフによって、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation：パルス幅変調)インバータの直流電流に、二相の電流情報が現れることを利用し、スイッチング素子のオン／オフ情報を元に、サンプリングした直流入力電流を各相別に分配して３相の電流検出値として検出する技術が開示されている。
特許文献１によると、図３（ａ）に示すように、一定間隔を有する搬送波と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電圧指令信号とのレベル比較により、３相ＰＷＭインバータ制御信号を生成することで、３相ＰＷＭ信号の立ち上がりが近接してパルス幅が狭くなるのを回避して、電流検出が可能となる。この電流検出を行う処理は移動処理と称される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２０１１７号公報
【特許文献２】特開昭６１−２５１４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１電流センサ方式は、常にＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電流を検出できる３電流センサ方式、２電流センサ方式とは異なり、ある特定のタイミングでのみ電流の検出が可能であり、この検出タイミングは、位相によって異なるとともに、検出できる電流に制約がある。
Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電流はスイッチングにて制御しているため、キャリア周期に応じたリプル電流が発生する。このようなリプル電流は無視し、基本波にて処理をするのが一般的である。しかし、上述のように検出できるタイミングに制約のある１電流センサ方式では、例えば特許文献１に開示される移動処理を採用しても、例えば、図４に示すように、検出した電流値は基本波に対しリプル電流の１／２分のズレが発生する可能性がある。
特許文献２は、電源電圧の変動、インバータ周波数とキャリア周波数との比、現在出力中の指令電圧及び基準指令電圧をパラメータとして、検出した電流値にリプル電流を補正する手法を提案している。しかしながら、特許文献２の提案では、多数のパラメータを使用し、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相電流を常に補正するので、処理に時間がかかり、高キャリア化、高速運転化に対応することが難しい。
そこで本発明は、安価な１電流センサ方式を用いても、少ない処理時間でリプル電流を無視して電流検出できるインバータ装置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】
かかる目的のもと、本発明のインバータ装置は、入力される直流電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機に向けて出力するインバータと、インバータを制御する制御手段と、インバータに流れる直流電流を検出する電流検出手段と、を備え、制御手段は、直流電流を検出するのに移動処理を適用するとともに、移動処理を適用する際に、検出された直流電流を補正する、ことを特徴とする。
本発明のインバータ装置は、１電流センサ方式の採用に伴って移動処理を行っても、補正によりリプル電流を無視できるので、直流電流の検出精度を向上できる。また、本発明のインバータ装置は、検出された直流電流を補正するのが移動処理を適用する際であり、補正を行うのがある程度限られた期間だけになるので、インバータの制御に掛ける負担が少なくてすむ。
【０００６】
本発明のインバータ装置において、補正は、交流電動機の回転速度と、交流電動機の電流値又はトルクと、に対応づけて特定される係数に基づいて行うことができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のインバータ装置によると、移動処理を行っても直流電流の検出精度を向上できるのに加えて、補正を行うのがある程度限られた期間だけになるので、インバータの制御に掛ける負担が少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係るインバータ装置の電気的回路構成を示す図である。
【図２】図１に示した３相ＰＷＭ波形生成部の機能的な構成を示す図である。
【図３】（ａ）は搬送波を３つ用いて３相ＰＷＭ信号を生成することを説明するタイミングチャートであり、（ｂ）は搬送波１つの場合に、電圧指令値の中間相が最大相あるいは最小相に近い場合や出力電圧レベルが低いと、電流検出が不可能となる現象を説明するタイミングチャートである。
【図４】図１に示したインバータ制御装置にて検出された電流波形の例を示す図である。
【図５】本実施形態の補正係数データを示す図である。
【図６】補正係数データの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本実施形態に係る交流電動機１０は、図１に示すように、電源１３からの電流の供給をインバータ装置１１で制御することで作動し、この交流電動機１０により図示を省略する圧縮機が駆動される。ここで電源１３は３相交流電源で示しているが、電源の種類にはこだわらない。
【００１０】
インバータ装置１１は、図１に示すように、３相ＰＷＭによるインバータの主回路（３相ＰＷＭインバータ）１２、と電源１３から主回路１２に流れる電流を検出する電流センサ１４と、電流センサ１４の検出結果から交流電動機１０のＵ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流の３相電流を算出する電流検出部１５と、電流検出部１５の算出結果に基づき、３相電圧指令を算出する電圧指令演算部１６と、電圧指令演算部１６からの３相電圧指令により主回路１２に与える３相ＰＷＭ波形を生成する波形生成部１７と、を有する。電流検出部１５、電圧指令演算部１６及び波形生成部１７からインバータ装置１１の制御手段が構成される。
【００１１】
波形生成部１７は、図２に示すように、一定間隔を有する３つの搬送波（図３（ａ），ＣＵ、ＣＶ、ＣＷ）を生成する搬送波生成部２０と、電圧指令演算部１６で算出された３相電圧指令に基づいて互いに異なる３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電圧基準信号（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）を生成する基準信号生成部２１と、搬送波生成部２０が生成した３つの搬送波と基準信号生成部２１が生成した３相の電圧基準信号とを比較し、３相ＰＷＭ信号を生成するレベル比較部２２と、を備えている。
【００１２】
３つの搬送波ＣＵ、ＣＶ、ＣＷは一定間隔を有しているから、これら３つの搬送波と３相電圧基準信号Ｖｖ、Ｕｖ、Ｗｖとを比較することで、３相ＰＷＭ信号の立ち上がりが近接してパルス幅が狭くなるということがなくなり、容易に電流検出を行えるようにしたものである。
つまり、搬送波が１つだけだと、図３（ｂ）に示すように、３相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗにおける中間相Ｖｖが最大相Ｖｕ（あるいは最小相Ｖｗ）に近い場合や、出力電圧レベルが低い場合には、３相ＰＷＭ信号の立ち上がりが近接してパルス幅が狭くなり、電流検出が困難になることがある。
そのため本実施形態においては、図３（ａ）に示したように、電圧指令演算部１６が算出した３相電圧基準信号Ｖｖ、Ｕｖ、Ｗｖのそれぞれに対応した、一定間隔を有する３つの搬送波ＣＵ、ＣＶ、ＣＷを生成し、これら３つの搬送波と３相電圧基準信号Ｖｖ、Ｕｖ、Ｗｖとを比較する。３つの搬送波は一定間隔を有しているから、３相ＰＷＭ信号の立ち上がりが近接してパルス幅が狭くなるということがなくなり、容易に電流検出を行える。
【００１３】
図３（ａ）の「直流電流」と図３（ｂ）の「直流電流」のパルス幅を比較すると、図３（ａ）は先行パルスＰａのパルス幅が後続パルスＰｂよりも広く、図３（ｂ）は先行パルスＰａと後続パルスＰｂのパルス幅が同じである。ここで、図３（ａ）と図３（ｂ）は、先行パルスＰａと後続パルスＰｂのパルス幅の合計は同じとする。したがって、図３（ａ）の直流電流は、図３（ｂ）の後続パルスＰｂの一部を先行パルスＰａに移動する処理を行ったものとみなすことができる。以下、この処理を移動処理と称する。
【００１４】
交流電動機の制御装置の動作について説明すると、電流センサ１４は、主回路１２に電源１３から流れる電流を検出し、電流検出部１５に送る。電流検出部１５は、この送られてきた主回路１２に流れる電流と、波形生成部１７から主回路１２に送られる、３相ＰＷＭ信号（Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗ）とから、Ｗ相電流ｉｗ、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ（ｉｕ−ｉｗ）の３相電流を生成して電圧指令演算部１６に送る。
【００１５】
そうすると電圧指令演算部１６は、送られてきた３相電流から、３相電圧基準Ｖｗ、Ｖｕ、Ｖｖを生成し、波形生成部１７に送る。この波形生成部１７は、搬送波生成部２０が生成した３つの搬送波ＣＵ、ＣＶ、ＣＷと基準信号生成部２１が生成した３相の電圧基準信号とを、レベル比較部２２により比較する。波形生成部１７は、この比較結果に基づいて、３相ＰＷＭ信号を生成し、主回路１２に送る。主回路１２は、送られてきた３相ＰＷＭ信号により３相のＰＷＭ信号を生成し、それによって交流電動機１０を駆動する。
【００１６】
ここで、搬送波生成部２０は、３つの搬送波を生成する第１モードと、１つの搬送波だけ生成する第２モードとを選択的に切り換える。第１モードと第２モードの切り替えは、交流電動機１０の回転速度（単位時間当たりの回転数）Ｎに基づいて行われる。つまり、低速域ＮＬ及び中速域ＮＭおいては３つの搬送波を生成する第１モードが選択され、高速域ＮＨにおいては１つの搬送波だけを生成する第２モードが選択される。なお、低速域ＮＬ及び中速域ＮＭにおいては効率を重視して２アーム制御が適用されるが、高速域ＮＨにおいては３アーム制御が適用される。
搬送波生成部２０は、低速域ＮＬ、中速域ＮＭ及び高速域ＮＨに対応する回転数の範囲（閾値）を例えば以下のように予め保持しており、動作している交流電動機１０の回転速度Ｎを取得してこれらの閾値と比較する。搬送波生成部２０は、比較の結果に基づいて、第１モードと第２モードの切換えを行う。
低速域ＮＬ：０ ＜ Ｎ ≦ ＮＬ
中速域ＮＭ：ＮＬ＜ Ｎ ≦ ＮＨ
高速域ＮＨ：ＮＬ＜ Ｎ
【００１７】
低速域ＮＬにおいて、移動処理を行うと、図４に示すように、リプル電流が顕著に発生するので、電流センサ１４を介して検出した電流値は基本波に対しリプル電流の振幅の１／２分の誤差が発生する可能性がある。そこで、本実施形態は、この移動処理を行う期間に限り、検出した電流値の補正を行う。図４に示す「ズレの大きい区間」は補正を行う期間を示しているが、図４に示される区間は、リプル電流が大きく、検出される電流値が基本波から大きくずれて精度が劣ることが判る。
【００１８】
以下、補正の一例を説明する。
補正は、検出した電流値ＤＩに補正係数ｆＣをかけることで行われる。
電流値ＤＩは、電流センサ１４で検出された値であり、電流検出部１５に送られる。電流検出部１５は、補正係数ｆＣを保持しており、取得した電流値ＤＩに補正係数ｆＣをかけることで、補正を実行してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相電流を算出する。
【００１９】
補正係数ｆＣは、交流電動機１０の状態に対応しており、一律に定まるものではない。交流電動機１０の状態としては、好ましくは、交流電動機１０の回転速度ＮとトルクＴが用いられ、電流検出部１５は、回転速度ＮとトルクＴに対応付けられた補正係数ｆＣを保持している。なお、交流電動機１０において、トルクＴは電流値Ｉに比例するので、補正係数ｆＣは回転速度Ｎと電流値Ｉに対応付けられていることと等価である。
例えば、図５に示すように、回転速度Ｎについて、実用的な回転速度ＮをＮ１，Ｎ２，Ｎ３の３つに区切り、また、トルクＴについては、実用的なトルクＴをＴ１，Ｔ２，Ｔ３の３つに区切る。なお、回転速度Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３、及び、トルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、各々が、範囲を有しているとともに、以下の関係を満たす。
Ｎ１ ＜ Ｎ２ ＜ Ｎ３
Ｔ１ ＜ Ｔ２ ＜ Ｔ３
【００２０】
補正係数ｆＣは、図５に示すように、回転速度Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３、及び、トルクＴ１，Ｔ２，Ｔ３の組み合わせに対応づけて特定されており、電流検出部１５は、このテーブル形式のデータ（以下、補正係数データ）を予め保持している。電流検出部１５は、交流電動機１０の回転速度ＮとトルクＴを取得し、取得した回転速度ＮとトルクＴを補正係数データに照合して、採用すべき補正係数ｆＣを特定する。例えば、電流検出部１５は、取得した回転速度ＮとトルクＴが、回転速度Ｎ１、トルクＴ２であれば、補正係数ｆＣ１２が採用され、また、回転速度Ｎ３、トルクＴ１であれば、補正係数ｆＣ３１が採用される。
【００２１】
例えば、図４において、ピークＡの検出電流値ＩＤ１が４.５Ａとし、このときの補正係数ｆＣ１が０．９１とすると、ピークＡにおけるリプル電流を無視した基本波の電流値ＩＣ１は下記より、４.１Ａ（補正値）となる。また、ピークＢの検出電流値ＩＤが−４.５Ａとし、このときの補正係数ｆＣ２が１.０７とすると、ピークＢにおけるリプル電流を無視した基本波の電流値ＩＣ２は下記より、−４.５Ａ（補正値）となる。
電流値ＩＣ１＝ＩＤ１×ｆＣ１＝４.５Ａ×０．９１
電流値ＩＣ２＝ＩＤ２×ｆＣ２＝−４.２Ａ×１.０７
【００２２】
補正係数ｆＣは、当該インバータ装置１１を駆動して設定することができる。つまり、上記のピークＡを例にすると、基本波の電流値ＩＣ１と検出電流値ＩＤ１の両者を得ておき、この二つの値から補正係数ｆＣ１を下記により求める。ピークＢについても同様である。
補正係数ｆＣ１＝ＩＣ１／ＩＤ１＝０．９１
補正係数ｆＣ２＝ＩＣ２／ＩＤ２＝１．０７
【００２３】
ここで示した例に基づいて補正係数データを設定するには、複数の検出電流値ＩＤ１〜ＩＤｎについて補正係数ｆＣ１〜ｆＣｎを求め、適切な範囲で区切り、その範囲で補正係数ｆＣを平均するなどすればよい。
なお、ここで示した例は、検出電流値ＩＤが正の値（ＩＤ１）であれば補正係数ｆＣは１以下の値になり、検出電流値ＩＤが負の値（ＩＤ２）のときに補正係数ｆＣは１以上の値になる。
【００２４】
電流検出部１５は、適用された補正係数ｆＣを用いて算出した結果（Ｗ相電流ｉｗ、Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ（ｉｕ−ｉｗ）の３相電流を電圧指令演算部１６に送る。以後、電圧指令演算部１６は、演算の結果（３相電流）を波形生成部１７に送り、波形生成部１７は取得した３相電流に基づいて主回路１２に与える３相ＰＷＭ波形を生成する。
【００２５】
以上説明したインバータ装置１１を備える交流電動機１０効果を説明する。
はじめに、インバータ装置１１は、一つの電流センサ１４を用いる１電流センサ方式により電流を検出できるので、インバータ装置１１の低コスト化に寄与する。
次に、インバータ装置１１は、移動処理を行うことができるので、３相ＰＷＭ信号の立ち上がりが近接してパルス幅が狭くなることがないので、電流検出を確実に行うことができる。
次に、インバータ装置１１は、移動処理を行うことで大きなリプル電流が生じたとしても補正を行うことにより、リプル電流に関わらずに正確に電流値を検出することができる。したがって、インバータ装置１１によると、位置推定の精度が上がり、交流電動機１０の損失の低減につながる。しかも、インバータ装置１１は、大きなリプル電流が生じて電流検出値が大きくずれるおそれのある移動処理に関連する位相区間だけを補正の対象とするので、補正に係る処理時間を抑えることができる。したがって、インバータ装置１１によると、基本波にて消費電力を求めることができ、デマンド運転などの要求に対して、精度の高い応答が可能である。
【００２６】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
補正係数について、図５に示した例のように所定の範囲で一定の値とするのに限られず、例えば図６に示すように、２点間の線形補間を適用することもできる。
【００２７】
また、以上では搬送波の生成について、第１モードと第２モードとを切り替えているが、常に３つの搬送波を生成してもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１０    交流電動機
１１    インバータ制御装置
１２    主回路
１３    電源
１４    電流センサ
１５    電流検出部
１６    電圧指令演算部
１７    波形生成部
２０    搬送波生成部
２１    基準信号生成部
２２    レベル比較部
【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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