(57)【要約】【課題】電動機の低速運転時におけるデッドタイムの影響を低減し、トルクリップル，回転むらの発生を抑制する。【解決手段】インバータ２を介して電動機３を駆動する場合、インバータ２の電源短絡を防止するために設けられるデッドタイムにより発生する出力電圧誤差は、出力電圧によらず一定のため、電動機３を低速運転すべく出力電圧指令値を低くすると出力電圧誤差の割合が増加する。そこで、この発明では電動機３を低速運転するときは、直流リンク電圧指令作成手段１０にて制御される降圧手段４により、インバータ２の入力電圧を降下させることにより、上記誤差電圧の割合を増加させないようにする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
直流電源と前記インバータとの間に設けられてこのインバータの入力電圧を降圧する降圧手段と、この降圧手段を前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき制御する制御手段とを備え、この制御手段により電動機の低速運転時には前記降圧手段に降圧動作をさせることにより、デッドタイムによる影響を軽減することを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
前記降圧手段は、降圧形チョッパ回路であることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
直流電源と前記インバータとの間に設けられてこのインバータの入力電圧を降圧する降圧機能と前記電動機が発電する電力を消費するブレーキ機能とを備えた機能回路と、前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき前記機能回路を制御する制御手段とを設け、この制御手段により電動機の低速運転時には前記機能回路の降圧機能を働かせてデッドタイムによる影響を軽減し、電動機の発電時には前記機能回路のブレーキ機能を働かせることを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項４】
前記機能回路は、回生電力の消費回路を持つ降圧形チョッパ回路であることを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
交流電源と前記インバータとの間に設けられて前記交流電源からの入力電流を波形整形する波形整形機能と前記インバータの入力電圧を降圧する降圧機能とを備えた機能回路と、前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき前記機能回路を制御する制御手段とを設け、この制御手段により前記機能回路の波形整形機能を働かせるとともに、電動機の低速運転時には前記機能回路の降圧機能を働かせてデッドタイムによる影響を軽減することを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項６】
前記機能回路は、電流形整流器またはダイオード整流器と降圧形チョッパ回路とを組み合わせたものであることを特徴とする請求項５に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
交流電源と前記インバータとの間に設けられて前記交流電源からの入力電流を波形整形する波形整形機能と前記インバータの入力電圧を降圧する降圧機能と前記電動機が発電した電力を消費するブレーキ機能とを備えた機能回路と、前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき前記機能回路を制御する制御手段とを設け、この制御手段により前記機能回路の波形整形機能を働かせるとともに電動機の発電時には前記機能回路のブレーキ機能を働かせ、かつ、電動機の低速運転時には前記機能回路の降圧機能を働かせてデッドタイムによる影響を軽減することを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項８】
前記機能回路は、電力回生が可能な整流器であることを特徴とする請求項７に記載の電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換装置等により電動機を駆動する電動機駆動装置、特に低速域で高性能が求められる電動機駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２にインバータの入力電圧が一定の電動機駆動装置を示す。これは、電源１からの直流電力をインバータ２へ入力することで、インバータ２は所望の電圧と周波数に変換された３相交流電力を電動機３へ供給するものである。
図１３は図１２に示すインバータ２のＵ相部分の具体的構成例を示す回路図である。同図のｖＵＮはＵ相電圧を、ｉＵはＵ相負荷電流を示す。一般にインバータでは、上下アーム同時オンによる電源短絡を防止するため、デッドタイムを設ける。このデッドタイムを短くすると、上下アーム同時オンによる電源短絡を生じ、インバータの破損を招く。なお、このデッドタイムはインバータ入力電圧や出力電圧、出力周波数等に関わらず一定である。
【０００３】
図１４は、Ｕ相電圧指令をｖＵＮ＊、スイッチング素子１Ｓと２Ｓのオン，オフ信号を１Ｓ＊，２Ｓ＊とし、ｉＵが正と負の場合のＵ相電圧ｖＵＮを示すタイムチャートである。Ｔｄはデッドタイムを示し、斜線部はＵ相電圧指令値ｖＵＮ＊とＵ相電圧ｖＵＮとの誤差電圧ΔＶＵを示す。この図１４から、Ｕ相負荷電流ｉＵが正のときは、実際のＵ相電圧ｖＵＮは指令パルスの幅ＴＷよりもデッドタイム時間Ｔｄだけ短くなるし、ｉＵが負のときは、ｖＵＮは指令パルスの幅ＴＷよりもデッドタイム時間Ｔｄだけ長くなることが分かる。
誤差電圧ΔＶＵは、スイッチング周期（またはキャリア周期）をＴＳＷとすれば次の数式１で示され、Ｕ相電圧指令値ｖＵＮ＊とＵ相電圧ｖＵＮと誤差電圧ΔＶＵとの関係は次の数式２で示される。ただし、ｓｉｇｎ（ｉＵ）は符号関数であって、
ｉＵ＞０でｓｉｇｎ（ｉＵ）＝１、ｉＵ＝０でｓｉｇｎ（ｉＵ）＝０、ｉＵ＜０でｓｉｇｎ（ｉＵ）＝−１である。
【０００４】
【数１】
ΔＶＵ＝（Ｔｄ／ＴＳＷ）・Ｅｄ・ｓｉｇｎ（ｉＵ）
【０００５】
【数２】
ｖＵＮ＝ｖＵＮ＊−ΔＶＵ
上記数式１より、誤差電圧ΔＶＵはインバータ入力電圧Ｅｄに比例し、スイッチング周期ＴＳＷが一定であれば誤差電圧ΔＶＵも一定となることが分かる。そして、出力電圧に対する誤差電圧の割合ＶＥＲは数式３で表される。
【０００６】
【数３】
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したがって、電動機を低速運転するに当たり出力電圧指令値を低くする、すなわち指令パルスＴＷの幅を短くすると、数式３より出力電圧に対する誤差電圧の割合ＶＥＲが増加する。
ここで、電動機の磁束を一定に保つようにインバータを制御した場合、電動機の速度（インバータの出力周波数）とインバータの出力電圧は比例する。そのため、電動機の低速運転時はインバータの出力電圧が低くなる。しかし、デッドタイムにより発生する出力電圧誤差はその出力電圧にかかわらず一定のため、インバータの出力電圧指令値に対する出力電圧の誤差の割合が増加する。
【０００７】
これにより、インバータの出力電圧にひずみが発生し、電動機の低速運転時にトルクリプルや回転むらが生じる。また、電動機のセンサレスベクトル制御での低速時の性能は出力電圧精度に依存するため、誤差電圧が大きい状況下では所望の性能が得られないことになる。
ところで、デッドタイムの補償方法としては種々提案されているが、その一般的なものとして、負荷電流の極性に応じ本来の出力電圧指令に誤差電圧分を重畳する、いわゆるフィードフォワード方式がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
【非特許文献１】
電気学会編「交流電動機可変速駆動の基礎と応用」コロナ社、１９９８年１０月２８日、ｐ．６９−７１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなフィードフォワード方式の場合、電動機の低速運転時にはインバータ出力電圧のひずみに伴って電流波形もひずむため、電流ゼロクロス付近の誤検知により、この付近でのデッドタイムの補償が困難になるという問題がある。
したがって、この発明の課題は、電動機の低速運転時におけるデッドタイムの影響を低減する、つまり誤差電圧の割合を増加させずに、トルクリプルや回転むらの発生を抑制できるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
直流電源と前記インバータとの間に設けられてこのインバータの入力電圧を降圧する降圧手段と、この降圧手段を前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき制御する制御手段とを備え、この制御手段により電動機の低速運転時には前記降圧手段に降圧動作をさせることにより、デッドタイムによる影響を軽減することを特徴とする。
【００１１】
この請求項１の発明においては、前記降圧手段を、降圧形チョッパ回路とすることができる（請求項２の発明）。
請求項３の発明では、インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
直流電源と前記インバータとの間に設けられてこのインバータの入力電圧を降圧する降圧機能と前記電動機が発電する電力を消費するブレーキ機能とを備えた機能回路と、前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき前記機能回路を制御する制御手段とを設け、この制御手段により電動機の低速運転時には前記機能回路の降圧機能を働かせてデッドタイムによる影響を軽減し、電動機の発電時には前記機能回路のブレーキ機能を働かせることを特徴とする。
【００１２】
この請求項３の発明においては、前記機能回路を、回生電力の消費回路を持つ降圧形チョッパ回路とすることができる（請求項４の発明）。
請求項５の発明では、インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
交流電源と前記インバータとの間に設けられて前記交流電源からの入力電流を波形整形する波形整形機能と前記インバータの入力電圧を降圧する降圧機能とを備えた機能回路と、前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき前記機能回路を制御する制御手段とを設け、この制御手段により前記機能回路の波形整形機能を働かせるとともに、電動機の低速運転時には前記機能回路の降圧機能を働かせてデッドタイムによる影響を軽減することを特徴とする。
【００１３】
この請求項５の発明においては、前記機能回路を、電流形整流器またはダイオード整流器と降圧形チョッパ回路とを組み合わせたものとすることができる（請求項６の発明）。
請求項７の発明では、インバータを介して電動機を駆動する電動機駆動装置において、
交流電源と前記インバータとの間に設けられて前記交流電源からの入力電流を波形整形する波形整形機能と前記インバータの入力電圧を降圧する降圧機能と前記電動機が発電した電力を消費するブレーキ機能とを備えた機能回路と、前記インバータの出力周波数指令値，出力電圧指令値，回転速度または回転速度指令値のいずれかに基づき前記機能回路を制御する制御手段とを設け、この制御手段により前記機能回路の波形整形機能を働かせるとともに電動機の発電時には前記機能回路のブレーキ機能を働かせ、かつ、電動機の低速運転時には前記機能回路の降圧機能を働かせてデッドタイムによる影響を軽減することを特徴とする。
【００１４】
この請求項７の発明においては、前記機能回路を、電力回生が可能な整流器とすることができる（請求項８の発明）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を説明するための構成図である。
これは、電源１とインバータ２との間に降圧手段４を設け、インバータ２には出力周波数指令値ｆ＊、この出力周波数指令値ｆ＊から直流リンク電圧指令作成手段１０により生成される直流リンク電圧指令値ｖｄｃ＊を降圧手段４に与え、インバータ２および降圧手段４を駆動するものである。
図２は直流リンク電圧指令作成手段１０の機能説明図である。すなわち、この直流リンク電圧指令作成手段１０は、例えばインバータの出力周波数指令値ｆ＊を与えられて、電圧指令ｖｄｃ＊を発生する機能を持つが、このような機能は、例えば関数発生器、関数発生器とリミッタ、またはＲＯＭ等により実現することができる。
【００１６】
図２は、このときのｆ＊とｖｄｃ＊との関数関係を示し、ｆ＊が０から或る値まで（低速時）はそれに比例するｖｄｃ＊を出力し、或る値以上では一定（Ｅｄ）となるようにした例である。ｆ＊が０から或る値までを、必ずしも比例関係にする必要はない。また、直流リンク電圧指令作成手段１０には、インバータの出力周波数指令値に代えてインバータ出力電圧指令値、電動機の回転速度または回転速度指令値のいずれかを与えるようにしても良い。
図３に、降圧手段４の具体例を示す。
これは降圧形直流チョッパ回路であり、スイッチング素子３Ｓはパルス幅変調（ＰＷＭ）制御されるものとする。この回路の入出力電圧（Ｅｄとｖｄｃ）の関係は、スイッチング素子３Ｓのオン時間Ｔ３ＯＮとスイッチング周期（またはキャリア周期）ＴＣで表わされるオンデューティ比ＤＣ（＝Ｔ３ＯＮ／ＴＣ）とを用いて、次の（３）式のように表わされる。ただし、０≦ＤＣ≦１である。
【００１７】
ｖｄｃ＝ＤＣ・Ｅｄ                                            …（３）
これにより、降圧形直流チョッパの出力電圧ｖｄｃはＥｄ以下となる。したがって、電動機３の低速運転時には、スイッチング素子３Ｓをスイッチング動作させてインバータ入力電圧ｖｄｃを降圧し（０＜ＤＣ＜１）、中高速域では３Ｓを常にオン状態とし（ＤＣ＝１）、インバータ２の入力電圧ｖｄｃをＥｄとする。
図４はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。これは、電源１とインバータ２との間に降圧／ブレーキ手段５を設けて構成され、電源が回生不可の例である。そして、電動機３の低速運転時には、降圧／ブレーキ手段５は図１と同様に降圧動作を行ない、電動機３が発電機として動作するとブレーキ動作をし、その発電電力を消費する。
【００１８】
図５に降圧／ブレーキ手段の具体例を示す。これは、図３の回路に抵抗２０とスイッチング素子４Ｓを付加したものである。
この回路では、インバータ２から電動機３に電力を供給する場合、すなわち、ｉＬＣが正のときにはスイッチング素子３Ｓを図１と同様に動作させ、電動機３が発電機として動作すると、すなわち、ｉＬＣが負のときにはスイッチング素子４Ｓを導通させ、抵抗２０でその発電電力を消費させる。このとき、スイッチング素子３Ｓはオフとする。
図６はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図である。これは、交流電源６とインバータ２との間に波形制御／降圧手段７を設けて構成され、電動機３へ供給する電力を交流電源６から得る例である。
【００１９】
交流電源６から出力される電流、すなわち本装置の入力電流は波形制御／降圧手段７により、正弦波状に制御される。
そして、電動機３を低速域で運転する時は、波形制御／降圧手段７によりインバータ２の入力電圧ｖｄｃは降圧され、中高速域では電源電圧に等しくされる。
図７に波形制御／降圧手段の具体例を示す。
これは、電流形整流器の例で、降圧形の変換器として動作する。６つのスイッチング素子をＰＷＭ制御することで、所望の整流器出力電圧ｖｄｃを得ることができる。
なお、電流形整流器の代わりにダイオード整流器とチョッパ回路とを組み合わせた実施形態を図８に示す。この場合、入力電流が正弦波にはならない。
ここで、電流形整流器の例（図７）と比較する。図７においては、入力電流を正弦波にできるため、入力電流の低次高調波成分を充分に低減できる。このため、交流電源を商用系統とする場合、系統電圧を歪ませる要因とならない、という利点を持つ。この点、図８では入力電流の低次高調波成分を含んでしまう。図９では、線間電圧と入力電流の理想状態でのシミュレーション波形を示している。ただし、ここでは電動機の中・高速領域での運転を想定し、スイッチング素子１０Ｓを常にオンとしている。この場合、コンデンサインプット形のダイオード整流器と類似の動作をするため、各線間電圧が最大もしくは最小の時にピーク値の高い入力電流が流れる。ちなみにチョッパ回路を動作させた時も、同様に低次高調波成分を多く含む。
一方、図７においてはスイッチング素子が６つであり、ゲート駆動回路も同数必要であるが、図８の場合、スイッチング素子が１つであるから、ゲート駆動回路は１つで済む利点を持つ。
いずれにせよ、図７、図８のいずれの方式においても、電動機の低速運転時はインバータの入力電圧を降圧できるのでデッドタイムの影響を低減できることに違いは無い。よって、インバータ出力電圧指令値と出力電圧との誤差割合は増加しない。
【００２０】
図１０はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図である。これは、交流電源６とインバータ２との間に波形制御／ブレーキ／降圧手段８を設けて構成される。
そして、インバータ２から電動機３へ電力を供給する場合には、波形制御／ブレーキ／降圧手段８は図６と同様の動作をし、電動機３が発電機として動作すると、その電力は波形制御／ブレーキ／降圧手段８を介して交流電源６へ回生される。
図１１に波形制御／ブレーキ／降圧手段の具体例を示す。
【００２１】
これは、整流器のスイッチング素子を双方向スイッチング素子とすることで、電力回生機能を持たせるようにしたものである。すなわち、ｉＬＣが正のときには波形制御／ブレーキ／降圧手段を図６の波形制御／降圧手段７と同様に動作させ、一方、ｉＬＣが負のときには波形制御／ブレーキ／降圧手段をインバータとして動作させ、電動機３が発電した電力を電源へ回生するものである。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、電動機の低速運転時にインバータ入力電圧を降圧させるようにしたので、デッドタイムによる影響が低減される、つまり、インバータの出力電圧指令値に対する出力電圧の誤差の割合を増加させずに、トルクリプルや回転むらの発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図
【図２】インバータ出力周波数指令値と直流リンク電圧指令値の関係例を示すグラフ
【図３】図１で用いる降圧手段の具体例を示す回路図
【図４】この発明の第２の実施の形態を示す構成図
【図５】図４で用いる降圧／ブレーキ手段の具体例を示す回路図
【図６】この発明の第３の実施の形態を示す構成図
【図７】図６で用いる波形制御／降圧手段の具体例を示す回路図
【図８】この発明の第３の実施の別形態を示す構成図
【図９】この発明の第３の実施の別形態の波形図
【図１０】この発明の第４の実施の形態を示す構成図
【図１１】図８で用いる波形制御／ブレーキ／降圧手段の具体例を示す回路図
【図１２】電動機駆動装置の一般的な例を示す構成図
【図１３】図１２のインバータのＵ相部分を示す回路図
【図１４】Ｕ相電圧，Ｕ相電圧指令およびデッドタイム等の関係説明図
【符号の説明】
１…電源、２…インバータ、３…電動機、４…降圧手段、５…降圧／ブレーキ手段、６…交流電源、７…波形制御／降圧手段、８…波形制御／ブレーキ／降圧手段、１０…直流リンク電圧指令作成手段、２０…抵抗、１Ｓ〜４Ｓ…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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004166460.tif 000013
【図１１】
2004166460.tif 000014
【図１２】
2004166460.tif 000015
【図１３】
2004166460.tif 000016
【図１４】
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