(57)【要約】【課題】  主回路素子のスイッチング遮断などの保護動作なしに電流を制限し中性点電位制御およびロス分散制御をする。【解決手段】  周波数指令値と、前記周波数指令値からＶ／ｆ演算により求めた電圧指令値より電圧指令ベクトルを求め、前記電圧指令ベクトルに基づいてＰＷＭ変調して電圧を出力するインバータ装置であって、電流検出手段と、電圧制限値演算手段と、電圧制限ベクトル演算手段と、電圧補正手段と、加速度修正手段とを備えたインバータ装置の電流制限方法において、インバータ装置がパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力する３相電圧形３レベルPWMインバータとしたものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数指令値と、前記周波数指令値からＶ／ｆ演算により求めた電圧指令値より電圧指令ベクトルを求め、前記電圧指令ベクトルに基づいてＰＷＭ変調して電圧を出力するインバータ装置であって、電流の大きさと電流位相からなる電流ベクトルを検出する電流検出手段と、前記電流の大きさが電流制限値を超えた時に超過分に比例した電圧制限値を求める電圧制限値演算手段と、前記電圧制限値を前記電流位相に基づいて電圧制限ベクトルに変換する電圧制限ベクトル演算手段と、前記電圧指令ベクトルに前記電圧制限ベクトルを加算する電圧補正手段と、前記電圧制限値と前記電流位相に基づいて周波数の加速度指令を修正する加速度修正手段とを備えたインバータ装置の電流制限方法において、前記インバータ装置がパルス幅変調によって可変電圧可変周波数の電圧を出力する３相電圧形３レベルPWMインバータとしたことを特徴とする３レベルインバータの電流制限方法。
【請求項２】
前記３レベルインバータの主回路保護として、前記電流制限方法と共に、ハードウェアによって強制的に主回路素子を遮断する電流制限機能と組み合わせたことを特徴とする請求項１記載の３レベルインバータの電流制限方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧を可変電圧可変周波数の電圧に変換する電力変換装置、特に３レベルインバータにおける電流制限方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３レベルインバータは、その特有な回路構成のため、特許文献１、２、３などに示される中性点電位制御が必要不可欠となる。また、３レベルインバータは、低出力周波数運転時に特定の主回路素子に損失が集中し、場合によっては素子破壊に繋がる事から、これを回避するために特許文献４などに示されるロス分散制御も必要になる。
【特許文献１】特開２００１−５７７８４公報
【特許文献２】特開２００２−１７６７４８公報
【特許文献３】特開２００２−１８６２６３公報
【特許文献４】特開２００２−１０２２５７公報
【０００３】
図２は従来の３レベルインバータのV/f制御ブロックの例である。図において、１は周波数指令演算部、２は滑り周波数演算手段、３は出力周波数、４はV/f演算部、６は位相演算手段、７はPWM指令演算部、８はオンディレイ回路、９はゼロベクトルパターン発生回路、１０はPWMパターン切り替え部、１１はゲートドライブ回路を含むインバータ部、１２は電流検出手段、１４は電流レベル比較器、１５は中性点電位制御演算部、１６はロス分散制御演算部である。
通常は、V/f演算部４で生成された電圧指令と中性点制御部１５およびロス分散制御部１６によって演算された情報を元にPWM指令演算部７で３相の電圧指令を求めてPWM信号を生成し、インバータ部１１によって電動機を駆動する。電流検出手段１２によって検出した電流の大きさI1が電流レベル比較器１４においてあらかじめ定められた電流のレベルIcla、Iclb、Iocを超えた場合にパターン切り替え部１０においてゼロベクトルやゲート遮断（主回路素子スイッチング遮断）に切り替えることでインバータ装置を保護する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これら中性点電位制御やロス分散制御は、前記特許文献の中で述べられている通り、目的に合ったPWM（パルス幅変調）パターンで主回路素子を動作させると言う前提のもとに成り立っており、通常のインバータ装置における過電流出力時の保護動作（主回路素子のスイッチング遮断）によって、十分に確立されなくなり、結果として中性点電位制御やロス分散制御が不能になると言う問題があった。特に、電動機をV/f制御する際、急加速や負荷の急変があると、電流が増大しこのような状況に陥りやすい。中性点電位制御が不能になった場合、３レベルインバータの直流母線電圧の中性点が安定しなくなり、直流母線に２直列で接続される平滑コンデンサの片方に過電圧がかかり、場合によっては破損に至る。破損に至らなくても、平滑コンデンサのアンバランスによって片方にだけ高い電圧が印加されるので、著しいコンデンサ寿命の低下に繋がる。ロス分散制御が不能になった場合、３レベルインバータの低出力周波数運転時に特定の素子に損失が集中し、その素子の破損に至る。
本発明はこのような様々な問題点に鑑みてなされたものであり、過電流が流れた場合に前記中性点電位制御とロス分散制御が不能になる事を避けるために、過電流が流れた場合も、特開２００２−３４２８９に代表される電流制限方法を用いて過電流保護動作レベルより低い電流レベルで動作させる事で、主回路素子のスイッチング遮断などの保護動作無しに電流を制限し、中性点電位制御およびロス分散制御が有効に動作できる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、特開２００２−３４２８９で開示された主回路素子のスイッチング遮断なしに電流を制限する電流制限方法を３レベルインバータに適用することを特徴とするものである。即ち「特開２００２−３４２８９の請求項１に記載の発明は、周波数指令値と、前記周波数指令値からＶ／ｆ演算によって求めた電圧指令値より電圧指令ベクトルを求め、前記電圧指令ベクトルに基づいてＰＷＭ変調して電圧を出力するインバータ装置において、電流の大きさと電流位相からなる電流ベクトルを検出する電流検出手段と、前記電流の大きさが電流制限値を超えた時に超過分に比例した電圧制限値を求める電圧制限値演算手段と、前記電圧制限値を前記電流位相に基づいて電圧制限ベクトルに変換する電圧制限ベクトル演算手段と、前記電圧指令ベクトルに前記電圧制限ベクトルを加算する電圧補正手段と、前記電圧制限値と前記電流位相に基づいて周波数の加速度指令を修正する加速度修正手段と、を備えている。また、特開２００２−３４２８９の請求項２に記載の発明は、前記電圧制限値演算手段は、前記電流制限値を超えた時に超過分に比例した値に対して一次遅れフィルタによりフィルタリングした結果を電圧制限値として出力することを特徴としている。また、特開２００２−３４２８９の請求項３に記載の発明は、前記電圧制限ベクトル演算手段は、前記電圧制限値を前記電流位相と逆方向のベクトルに変換することを特徴としている。また、特開２００２−３４２８９の請求項４に記載の発明は、前記電圧制限ベクトル演算手段は、前記電圧制限値を前記電流位相と逆方向のベクトルのうち前記電圧指令ベクトル方向に直交する成分を０として電圧制限ベクトルを求めることを特徴としている。また、特開２００２−３４２８９の請求項５に記載の発明は、電流の大きさが前記電流制限値より大きな第２の電流制限値を超えている間は強制的にゼロ電圧のＰＷＭパターンを出力する第２の電流制限手段と、電流の大きさが前記第２の電流制限値より大きな第３の電流制限値を超えている間はゲートを遮断する第３の電流制限手段とを備えている。また、特開２００２−３４２８９の請求項６に記載の発明は、前記第２の電流制限手段と前記第３の電流制限手段に対し機能を無効にする手段を備えている。また、特開２００２−３４２８９の請求項７に記載の発明は、周波数指令値と、前記周波数指令値からＶ／ｆ演算により求めた電圧指令値より電圧指令ベクトルを求め、前記電圧指令ベクトルに基づいてＰＷＭ変調して電圧を出力し、過電流が検出された場合には保護動作を行うインバータ装置の電流制限方法において、電流の大きさＩ１と電流位相θｉからなる電流ベクトルを検出し、前記電流の大きさが電流制限値Ｉｍａｘを超えた時に超過分に比例した電圧制限値ΔＶを求め、前記電圧制限値ΔＶを前記電流位相θｉに基づいて電圧制限ベクトルΔＶｑ、ΔＶｄに変換し前記電圧指令ベクトルに加算して電圧補正を行い瞬時に電流を制限し、前記電圧制限値と前記電流位相に基づいて周波数の加速度指令を修正してパワー効率の良い電流制限を行うことを特徴としている。また、特開２００２−３４２８９の請求項８に記載の発明は、前記電圧制限値ΔＶは、前記電流の大きさが電流制限���Ｉｍａｘを超えた時に超過分に比例した値に対して一次遅れフィルタによりフィルタリングし高調波を除去して出力することを特徴としている。また、特開２００２−３４２８９の請求項９に記載の発明は、前記電圧制限ベクトルΔＶｑ、ΔＶｄは、前記電圧制限値ΔＶを、電流位相θｉと逆方向のベクトルΔｑ＝−ΔＶｓｉｎθｉ、（又は、ΔＶｑ＝−ΔＶ×Ｉｑ／Ｉ１）、および、Δｄ＝−ΔＶｃｏｓθｉ、（又は、Δｄ＝−ΔＶ×Ｉｄ／Ｉ１）、に変換して作成することを特徴としている。また、特開２００２−３４２８９の請求項１０に記載の発明は、前記電圧制限ベクトルは、前記電圧制限値ΔＶを前記電流位相θｉと逆方向のベクトルΔｑ、Δｄのうち前記電圧指令ベクトル方向に直交するΔｄ成分を０として求めることを特徴としとている。また、特開２００２−３４２８９の請求項１１に記載の発明は、電流の大きさが前記電流制限値Ｉｍａｘより大きな第２の電流制限値Ｉｃｌａ’を超えている間は強制的にゼロ電圧のＰＷＭパターンを出力し、更に、電流の大きさが前記第２の電流制限値Ｉｃｌａ’より大きな第３の電流制限値Ｉｃｌｂ’、Ｉｏｃ’を超えている間はゲートを遮断して保護動作を行うことを特徴としている。また、特開２００２−３４２８９の請求項１２に記載の発明は、前記第２および第３の電流制限値による保護機能を無効にすることが可能であることを特徴としている。
このインバータ装置およびその過電流抑制方法によれば、過電流制限値Ｉｍａｘを超えた超過分に比例した電圧制限値ΔＶを求め、電圧制限値を電流位相に基づいた電圧制限ベクトルΔＶｑ、ΔＶｄに変換し、電圧指令ベクトルに加算することによって、瞬時の過電流を抑止可能にすると共に、電圧制限値ΔＶと電流位相θｉに基づいて周波数の加速度指令を修正することによって、電流を制限しながらストールを避けて効率良く運転することができる。その際、電圧制限値ΔＶに対しては一次遅れフィルタ（Ｋ／１＋Ｔｓ）を通した後に電圧制限ベクトルを求めるようにしたので、電流に含まれる高調波成分を除去した安定な補償を可能にしている。また、電圧制限値ΔＶを電圧制限ベクトルΔＶｑ、ΔＶｄに変換する際に、電流方向と逆方向になるように電圧制限ベクトルを求めて補償を行うので、抵抗負荷などの用途に対しては瞬時に電流を制限することが可能になる。又、モータ等を制御する場合には、電圧制限ベクトルの電流と逆方向の成分のうち、電圧指令ベクトルと直交する方向成分ΔＶｄを０となるようにして、Ｖ／ｆ制御される電圧指令ベクトルの方向のみに対して補償を行うようにすることで、安定な電流制限制御が可能になる。以上のような電流制限が正常に働かなかった場合の保護対策としては、電流の大きさＩ１が、過電流制限値Ｉｍａｘより大きな第２の過電流制限値Ｉｃｌａ’を超えている間は、強制的にゼロ電圧のＰＷＭパターンを出力して保護動作を行い、電流の大きさが第２の過電流制限値Ｉｃｌａ’より大きな第３の過電流制限値Ｉｃｌｂ’あるいはＩｏｃ’を超えている間は、ゲートを遮断して保護するようにしているので、電流の大きさＩ１が過電流制限値Ｉｍａｘを大きく超えても、第２、第３の過電流制限値１ｃ１ａ’、Ｉｃｌｂ’、Ｉｏｃ’の３段階の保護が行われるので、確実・安全な過電流抑制が可能になる。この場合の設定レベルの大小関係は、Ｉｏｃ’＞Ｉｃｌｂ’＞Ｉｃｌａ’＞Ｉｍａｘ、となる。従って、本発明の場合は、過電流制限値Ｉｍａｘによる抑制によって、殆ど抑制できるので、従来の場合の過電流レベルが設定されたＣＬＡ、ＣＬＢ回路の設定レベルＩｏｃ、Ｉｃｌｂ、Ｉｃｌａ、の値を上げることができる。また、過電流制限値Ｉｍａｘの制御で殆ど足りることから、ＣＬＡ、ＣＬＢ回路を無効にする切替え手段２９ａ、ｂを設け、ＣＬＡ、ＣＬＢ回路をＯＮ／ＯＦＦできるようにして幅広い制御を可能にしている。」
このようになっているため、過電流出力時も中性点電位制御およびロス分散制御を有効に動作させることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の電流制限方法によれば、PWM指令演算における中性点電位制御およびロス分散制御による制約を生かしつつ電流を制限することが可能になるので３レベルインバータにとって必要不可欠な中性点電位制御及びロス分散制御を常時有効に動作させることが出来る。また、強制的なゼロベクトル出力やゲート遮断（主回路素子スイッチング遮断）といった保護動作と併用することで、万一の場合もインバータ装置の保護が確実になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
【実施例】
【０００８】
図１は、本発明の方法を実施する３レベルインバータ装置の電流制限を含めたV/f制御のブロック図である。図において１は周波数指令演算部、２は滑り周波数演算手段、３は出力周波数、４はV/f演算部、５は電圧指令補正手段、６は位相演算手段、７はPWM指令演算部、８はオンディレイ回路、９はゼロベクトルパターン発生回路、１０はPWMパターン切り替え部、１１はゲートドライブ回路を含むインバータ部、１２は電流検出手段、１３は電流制限演算手段、１４は電流レベル比較器、１５は中性点電位制御演算部、１６はロス分散制御演算部である。以下、本発明の方法を順を追って説明する。
まず、電流検出手段１２によって電流の大きさI1と電流位相Θ１を求め、電流制限演算手段１３によって設定した電流制限値Imaxと電流の大きさI1の差に対してゲイン、フィルタ処理、ｄｑ軸変換等の処理を行い、演算されたΔVd、ΔVqを電圧指令補正部５に与える。電圧指令補正部５ではV/f演算部４によって作られた電圧指令に対し前記ΔVd、ΔVqを加えて補正を行い、出力電圧指令を生成する。この出力電圧指令と、中性点電位制御演算部１５およびロス分散制御演算部１６で演算された情報を元に、PWM指令演算部７で３相の電圧指令を求めてPWMパターンに変換し、インバータ部１１へ出力して電動機に電圧を印加する。これにより、PWM指令演算における中性点電位制御およびロス分散制御による制約を生かしつつ電流を制限することが可能になる。
また、万一の事故などによって、電流制限演算手段１３と電圧指令補正部５によって構成される電流制限でも電流を制限できないような場合の保護機能として、電流レベル比較器１４においてあらかじめ定められた電流のレベルIcla、Iclb、Iocを超えた場合にパターン切り替え部１０においてゼロベクトルやゲート遮断（主回路素子スイッチング遮断）によってインバータ装置を保護する機能を併せ持つようにすることで、インバータ装置の安定動作と確実な保護が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の方法を適用する３レベルインバータ装置のV/f制御の構成を示す。
【図２】従来の方法での３レベルインバータ装置のV/f制御の構成を示す。
【符号の説明】
【００１０】
１  周波数指令演算部
２  滑り周波数演算手段
３  出力周波数
４  V/f演算部
５  電圧指令補正手段
６  位相演算手段
７  PWM指令演算部
８  オンディレイ回路
９  ゼロベクトルパターン発生回路
１０  PWMパターン切り替え部
１１  ゲートドライブ回路を含むインバータ部
１２  電流検出手段
１３  電流制限演算手段
１４  電流レベル比較器
１５  中性点電位制御演算部
１６  ロス分散制御演算部
【図１】
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【図２】
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