(57)【要約】【課題】インバータモジュールが大型化する原因であった平滑化コンデンサを省略することができるとともに、リップル電圧の最小値が低下してしまうことによる使用可能なモータの種類数の減少を防ぐことができ、各構成部材を１つのケーシング内に収容する事が可能なインバータモジュールを提供する。【解決手段】ダイオード整流器１と、ＰＷＭインバータ回路５と、前記ダイオード整流器１から出力された直流を所定の電圧に昇圧して、前記ＰＷＭインバータ回路５へと出力する昇圧回路３と、前記ダイオード整流器１から出力される直流のリップルを前記ＰＷＭインバータ回路５内、又は、前記昇圧回路３内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより補正するリップル補正部６１と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電源とモータとの間に接続されるインバータモジュールであって、
前記ＡＣ電源から供給される交流を直流に変換するダイオード整流器と、
前記ダイオード整流器から出力される直流を所定の電圧及び周波数の交流へと変換し、前記モータへと出力するＰＷＭインバータ回路と、
前記ダイオード整流器から出力された直流を所定の電圧に昇圧して、前記ＰＷＭインバータ回路へと出力する昇圧回路と、
前記ダイオード整流器から出力される直流のリップルを前記ＰＷＭインバータ回路内、又は、前記昇圧回路内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより補正するリップル補正部と、を備えたことを特徴とするインバータモジュール。
【請求項２】
前記リップル制御部が、ＰＷＭインバータ回路に入力されるＰＷＭ信号のデューティー比を制御するものであり、
前記ＰＷＭインバータ回路に入力される平均直流電圧が目標直流電圧に対して低い場合にデューティー比を大きくし、平均直流電圧が目標直流電圧に対して高い場合にはデューティー比を小さくするように構成されている請求項１記載のインバータモジュール。
【請求項３】
前記昇圧回路が、入力された直流電流を複数相に分けて、各相の電流に位相差を与えるインターリーブ回路である請求項１又は２記載のインバータモジュール。
【請求項４】
前記昇圧回路と、前記ＰＷＭインバータ回路との間にフィルムコンデンサが設けられている請求項１乃至３いずれかに記載のインバータモジュール。
【請求項５】
少なくとも前記ダイオード整流器、前記インバータ回路、前記昇圧回路、前記フィルムコンデンサを収容するケーシングを備えた請求項４記載のインバータモジュール。
【請求項６】
前記ダイオード整流器と前記昇圧回路との間に直流リアクトルが設けられており、前記ケーシング内に当該直流リアクトルが収容されている請求項５記載のインバータモジュール。
【請求項７】
前記フィルムコンデンサと並列に接続されているバランス抵抗をさらに備えた請求項４乃至６いずれかに記載のインバータモジュール。
【請求項８】
前記昇圧回路において前記モータの回生エネルギーが消費されるように構成された請求項１乃至７いずれかに記載のインバータモジュール。
【請求項９】
前記ケーシングが、磁性粉を含有する樹脂材にて形成されている請求項５乃至８いずれかに記載のインバータモジュール。
【請求項１０】
前記フィルムコンデンサを基準として、前記インターリーブ回路と前記ＰＷＭインバータとが、略対称に配置されている請求項４乃至９いずれかに記載のインバータモジュール。
【請求項１１】
前記インターリーブ回路が直流電流をＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相に分離するものであり、
前記ＰＷＭインバータ回路がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流を出力するものであり、
前記フィルムコンデンサが前記Ｒ相とＵ相との間、前記Ｓ相とＶ相との間、前記Ｔ相とＶ相との間、のそれぞれに１つずつ設けられている請求項１０記載のインバータモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＣ電源とモータとの間に接続されるものであり、入力された交流を所望の電圧及び周波数を有する交流へと変換して前記モータに印加するためのインバータモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三相誘導モータを所望の回転速度に制御する場合、前記モータに印加する交流の電圧及び周波数を適宜変化させる必要がある。このような目的のために、特許文献１等に示されるように商用の交流が供給されるＡＣ電源と、モータとの間に接続され、定格の交流電流から所望の電圧及び周波数を有した交流電流へと変換するためのインバータモジュールが用いられている。
【０００３】
従来、インバータモジュール１００は図１０に示すように、ＡＣ電源Ｓから供給される交流を直流に変換するダイオード整流器１と、前記ダイオード整流器１から出力される直流に重畳しているリップルを低減するための平滑コンデンサＣと、前記平滑コンデンサＣを通過した直流を所定の電圧及び周波数の交流へと変換して、前記モータＭへと出力するＰＷＭインバータ回路５と、から構成されている。
【０００４】
ところで、上述したようなインバータモジュール１００は、前記ダイオード整流器１と前記ＰＷＭインバータ回路５は比較的小さい部材であることから図１１に示すように同一基板上に実装されケーシングの内部に収容されている。一方、前記平滑コンデンサＣはリップルを十分に低減するためにその容量を大きくする必要があるため、前記ダイオード整流器１や前記ＰＷＭインバータ回路５と比較して大型の部材となっていること、また、耐熱温度の問題等があることから、前記同一基板上には前記平滑コンデンサＣは設けられていない。
【０００５】
すなわち、前記ダイオード整流器１と前記ＰＷＭインバータ回路５が収容されているケーシングの外側に平滑コンデンサＣが設けられており、各部材が離れてしまっている。従って、図１２に示すように前記平滑コンデンサＣと、前記ＰＷＭインバータ回路５とを接続する配線長が非常に長くなってしまい、結果的に配線インダクタンスも大きくなってしまう。
【０００６】
すると、図１３に示すように前記ＰＷＭインバータのＤＣリンク電圧にサージ電圧が発生するため、ＰＷＭを高周波駆動する事が難しくなってしまう。また、平滑コンデンサＣ自体が大きいため、全体の実装体積も大型化してしまっているという問題もある。これらのような問題はＳｉＣ、ＧａＮ等の新しいデバイスを用いた場合に顕著に表れることになる。
【０００７】
しかしながら、前記平滑コンデンサＣを単純に省略してしまう、あるいは、前記平滑コンデンサＣ及び前記ＰＷＭインバータ回路５と同一の基板上に実装できるように小容量のコンデンサを用いるだけでは、前記ダイオード整流器１から出力される直流電圧のリップルを十分に低減することができなくなってしまい、リップル電圧の最小値も低下してしまう。前記リップル電圧の最小値が小さくなるほど、インバータモジュール１００に適応できるモータＭの種類が減ってしまうので、非常に使い勝手の悪いものとなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２０００２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、インバータモジュールが大型化する原因であった平滑化コンデンサを省略することができるとともに、リップル電圧の最小値が低下してしまうことによる使用可能なモータの種類数の減少を防ぐことができ、各構成部材を１つのケーシング内に収容する事が可能なインバータモジュール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】
【００１０】
すなわち、本発明のインバータモジュールは、ＡＣ電源とモータとの間に接続されるインバータモジュールであって、前記ＡＣ電源から供給される交流を直流に変換するダイオード整流器と、前記ダイオード整流器から出力される直流を所定の電圧及び周波数の交流へと変換し、前記モータへと出力するＰＷＭインバータ回路と、前記ダイオード整流器から出力された直流を所定の電圧に昇圧して、前記ＰＷＭインバータ回路へと出力する昇圧回路と、前記ダイオード整流器から出力される直流のリップルを前記ＰＷＭインバータ回路内、又は、前記昇圧回路内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより補正するリップル補正部と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
このようなものであれば、前記昇圧回路により前記ダイオード整流器から出力される直流電圧を前記ＰＷＭインバータ回路に入る前に昇圧することができるので、直流電圧のリップル電圧の最小値を上昇させることができる。
【００１２】
従って、前記ダイオード整流器から出力される直流電圧のリップルを低減するために従来用いられていた平滑コンデンサを設けなくても、十分に高い直流電圧の最小値を得ることができるので、本発明のインバータモジュールに適応できるモータの種類数が低減することがない。
【００１３】
また、前記リップル補正部により前記ダイオード整流器から出力される直流電圧のリップルを小さくできるので、さらに直流電圧の最小値を高い値にすることができる。
【００１４】
言い換えると、本発明は前記リップル補正部のスイッチング素子の制御により直流電圧のリップルを低減することができるとともに、昇圧回路によりリップルの最小値を高い値に持ち上げることができるので、平滑化コンデンサを省略する事が可能となっている。
【００１５】
このことから、大型の部材となりやすい平滑化コンデンサを省略することができるので、インバータモジュールを構成する各部材を同一の基板上に実装する、あるいは、一つのケーシング内に全ての構成部材を収容して、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００１６】
平滑コンデンサを用いなくても前記ダイオード整流器から出力される直流電圧のリップルを十分に低減できるようにするための具体的な構成としては、前記リップル制御部が、ＰＷＭインバータ回路に入力されるＰＷＭ信号のデューティー比を制御するものであり、前記ＰＷＭインバータ回路に入力される平均直流電圧が目標直流電圧に対して低い場合にデューティー比を大きくし、平均直流電圧が目標直流電圧に対して高い場合にはデューティー比を小さくするように構成されているものが挙げられる。
【００１７】
前記昇圧回路においても前記ダイオード整流器から出力される直流電圧のリップルを低減できるようにするには、前記昇圧回路が、入力された直流電流を複数相に分けて、各相の電流に位相差を与えるインターリーブ回路であればよい。
【００１８】
１つのインバータモジュールとしてまとめつつ、コンデンサを設けて直流電圧のリップルを低減する効果を付与するには、前記昇圧回路と、前記ＰＷＭインバータ回路との間にフィルムコンデンサを設ければよい。
【００１９】
インバータモジュール全体をコンパクトにまとめるとともに、前記ＡＣ電源と前記モータとの間に簡単に接続できるようにするには、少なくとも前記ダイオード整流器、前記インバータ回路、前記昇圧回路、前記フィルムコンデンサを収容するケーシングを備えたものであればよい。
【００２０】
前記ＰＷＭインバータ回路又は前記インターリーブ回路における高速スイッチングの影響がＡＣ電源等に伝播しないようにする機能を付加しつつ、インバータモジュール自体をコンパクトにまとめるには、前記ダイオード整流器と前記昇圧回路との間に直流リアクトルが設けられており、前記ケーシング内に当該直流リアクトルが収容されているものであればよい。
【００２１】
前記モータが減速又は停止する時に生じる回生エネルギーによって前記フィルムコンデンサ等の破損が生じないようにするには、前記フィルムコンデンサと並列に接続されているバランス抵抗をさらに備えたものであればよい。このようなものであれば、バランス抵抗において回生エネルギーが消費されるため、回生エネルギーによってフィルムコンデンサに高電圧がかかり、破損が生じるのを防ぐことができる。
【００２２】
前記モータの回生エネルギーによる各部材の破損をさらに好適に防ぐことができるようにするには、前記昇圧回路において前記モータの回生エネルギーが消費されるように構成されたものであればよい。
【００２３】
前記インターリーブ回路又は前記ＰＷＭインバータ回路内のスイッチング素子が高速スイッチングする際に生じる放射ノイズが外部の機器に悪影響を与えないようにして、ＥＣＭフィルタ部品を低減するには、前記ケーシングが、磁性粉を含有する樹脂材にて形成されているものであればよい。
【００２４】
直流電圧のリップルを低減するために好適な回路配置例としては、前記フィルムコンデンサを基準として、前記インターリーブ回路と前記ＰＷＭインバータとが、略対称に配置されているものが挙げられる。
【００２５】
さらにＰＷＭインバータ回路から出力される電流において直流電圧のリップルの影響を少なくすることができる具体的な構成としては、前記インターリーブ回路が直流電流をＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相に分離するものであり、前記ＰＷＭインバータ回路がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流を出力するものであり、前記フィルムコンデンサが前記Ｒ相とＵ相との間、前記Ｓ相とＶ相との間、前記Ｔ相とＶ相との間、のそれぞれに１つずつ設けられているものが挙げられる。
【発明の効果】
【００２６】
このように本発明のインバータモジュールによれば、直流電圧のリップルをソフトウェアの動作により低減するリップル補正部と、直流電圧の最小値を持ち上げる昇圧回路との相乗効果により、従来必要であった大型の平滑コンデンサを省略する、あるいは、フィルムコンデンサ等の小型小容量のものに置き換えることが可能となる。従って、インバータモジュールを構成する各構成部材は例えばチップとして基板上に実装する事が可能となり、コンパクトにまとめた１つのモジュールとすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係るインバータモジュールを示す模式図。
【図２】第１実施形態における制御チップの機能ブロック図。
【図３】第１実施形態におけるインターリーブ回路によるリップル低減効果について示すグラフ。
【図４】第１実施形態におけるＰＷＭインバータ回路でのリップル補正に用いる変調波の特性を示すグラフ。
【図５】第１実施形態におけるＰＷＭインバータ回路でのリップル補正について示すグラフ。
【図６】第２実施形態におけるインターレース回路でのリップル補正に用いる変調波の特性を示すグラフ。
【図７】第２実施形態におけるインターレース回路でのリップル補正に用いる変調波の特性を示すグラフ。
【図８】第３実施形態におけるフィルムコンデンサとバランス抵抗を示す模式図。
【図９】第４実施形態におけるインバータモジュールの各構成部材の配置について示す模式図。
【図１０】従来のインバータモジュールについて示す模式図。
【図１１】従来のインバータモジュールの実装状態について示す模式図。
【図１２】従来のインバータにおいて平滑コンデンサとの接続において配線長が長くなる事を示す模式図。
【図１３】配線長が長いことにより生じるサージ電圧についての概念図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２９】
第１実施形態のインバータモジュール１００は、ＡＣ電源Ｓと、制御対象である３相誘導モータＭとの間に接続されるものであって、前記ＡＣ電源Ｓから供給される商用の交流から前記モータＭを所定の回転速度で回転させるのに必要な電圧及び周波数の交流を供給するものである。
【００３０】
より具体的には前記インバータモジュール１００は、図１に示すようにダイオード整流器１、直流リアクトル２、インターリーブ回路３、フィルムコンデンサ４、ＰＷＭインバータ回路５、制御チップ６とから構成してあり、これらの各部材がケーシング７内に収容されてモジュール化されたものである。そして、第１実施形態のインバータモジュール１００は、従来用いられていた平滑化コンデンサについては容量及びその体積が小さいフィルムコンデンサ４に置き換えながらも、直流電圧Ｖｄｃにおけるリップルに関する問題を解決し、少なくとも従来と同等の性能を発揮できるように構成してある。
【００３１】
各部について説明する。
【００３２】
前記ダイオード整流器１は、前記ＡＣ電源Ｓから供給される交流を直流に変換するためのものである。このダイオード整流器１から出力される直流には、前記ＡＣ電源Ｓから供給される交流の周波数の略２倍の周波数を有するリップルが重畳することになる。
【００３３】
前記直流リアクトル２は、前記ＰＷＭインバータ回路５又は前記インターリーブ回路３における高速スイッチングの影響がＡＣ電源Ｓ等に伝播しないようにするためのものである。
【００３４】
前記インターリーブ回路３は、前記ダイオード整流器１から出力された直流を所定の電圧に昇圧して、前記ＰＷＭインバータ回路５へと出力する昇圧回路としての機能を有するとともに、入力された直流電流を複数相に分けて、各相の電流に位相差を与えるためのものである。
【００３５】
ＰＷＭインバータ回路５は、前記ダイオード整流器１から出力される直流、すなわち、前記インターリーブ回路３から出力される直流を所定の電圧及び周波数の交流へと変換し、前記モータＭへと出力するものである。
【００３６】
前記制御チップ６は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース等を具備するマイコンチップであって、前記メモリに格納されているプログラムを実行することにより少なくともリップル補正部としての機能を発揮するものである。前記制御チップ６は、図２に示すような一般的なモータ制御ブロックとしての機能も有しており、前記インターリーブ回路３や前記ＰＷＭインバータ回路５内のスイッチング素子に対してＰＷＭ信号を入力し、そのオンオフを制御するものである。
【００３７】
前記リップル補正部は、第１実施形態ではモータ制御ブロックのうちの電圧制御部６１に相当するものであり、前記ダイオード整流器１から出力される直流のリップルを前記ＰＷＭインバータ回路５内、又は、前記昇圧回路であるインターリーブ回路３内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより直流電圧Ｖｄｃのリップルを低減するように構成してある。
【００３８】
以下では前記電圧制御部６１の構成について詳述する。図２において示すように、電圧制御部６１は、電流制御部６２から出力される電圧指令値が前記ＰＷＭインバータ回路５の各相に流れるように当該ＰＷＭインバータ回路５の各スイッチング素子にＰＷＭ信号Ｓｐｗｍを入力するものである。すなわち、前記電圧制御部６１は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ、ｑ軸電圧指令値ＶｑをＵ相、Ｖ相、Ｗ相電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する２相／３相変換部６１１と、前記ＰＷＭインバータ回路５で測定される直流電圧Ｖｄｃの平均と目標直流電圧Ｖｄｃ_ｒｅｆとを比較する平均直流電圧比較部６１２と、前記２相／３相変換部６１１で変換された３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと、前記平均直流電圧比較部６１２における直流電圧Ｖｄｃと目標直流電圧Ｖｄｃ_ｒｅｆの比較結果とに基づいて、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍを出力するＰＷＭ計算部６１３とから構成してある。ここで、平均電圧Ｖｄｃは例えば測定電圧の算術平均値であってもよいし、ローパスフィルタ通過後の測定電圧値であってもよい。
【００３９】
ここで、前記ＰＷＭ計算部６１３についてより詳述すると、前記ＰＷＭインバータ回路５に入力される平均直流電圧Ｖｄｃが目標直流電圧Ｖｄｃ_ｒｅｆに対して低い場合にデューティー比を大きくし、平均直流電圧Ｖｄｃが目標直流電圧Ｖｄｃに対して高い場合にはデューティー比を小さくするように構成してある。このように動作することにより、直流電圧Ｖｄｃに重畳しているリップルに関わらずにモータＭに流れる電流は正弦波に保たれることになる。
【００４０】
なお、前記電圧制御部６１は、モータＭに印加する最高周波数時において、直流電圧Ｖｄｃのリップルの最小電圧値が規定の値に到達しない場合には、前記インターリーブ回路３のスイッチング素子を制御することで、直流電圧Ｖｄｃを所定量だけ昇圧させるように構成してある。ここでの所定量は、少なくとも最小電圧値の不足分を補うだけの昇圧値である。
【００４１】
前記ケーシング７は、磁性粉を含有する樹脂材にて形成されており、スイッチング素子が高速動作する際等に生じる放射ノイズが外部へと放出されるのを防ぐようにしてある。
【００４２】
このように構成されたインバータモジュール１００について、平滑コンデンサを用いなくても十分に直流のリップルを低減できることを説明する。
【００４３】
まず、前記インターリーブ回路３を用いることによるリップルの低減効果について説明する。図３（ａ）のグラフに示すように直流リアクトル２を通過後におけるインターリーブ回路３のＲ相、Ｓ相、Ｔ相のそれぞれを流れる電流はスイッチング素子の制御により各相で１２０°ずらして流れるようにしてある。インターリーブ回路３を通過して各相の電流が合流し、合成されると、図３（ｂ）に示すようにリップルの振動が低減され、電圧の最低値が上昇することになる。
【００４４】
さらに、前記ＰＷＭインバータ回路５におけるリップルの低減について説明する。平滑コンデンサを用いずに小容量の２０〜４０μＦのフィルムコンデンサ４を用いている場合、直流電圧Ｖｄｃは、図４の上側のグラフに示すようなリップルを持つことになる。そこで、図４の下のグラフに示すようなリップルとは反相の変調波により、図５のグラフに示すようなリップル補正を行うことで、前記モータＭに印加される電圧を正弦波に保つようにしている。
【００４５】
このように第１実施形態のインバータモジュール１００によれば、前記リップル補正部のスイッチング素子の制御により直流電圧Ｖｄｃのリップルを低減することができるとともに、昇圧回路によりリップルの最小値を高い値に持ち上げることができるので、平滑化コンデンサを省略する事が可能となっている。
【００４６】
このことから、大型の部材となりやすい平滑化コンデンサを省略することができるので、インバータモジュール１００を構成する各部材を同一の基板上に実装する、あるいは、一つのケーシング７内に全ての構成部材を収容して、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００４７】
本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明では第１実施形態で説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。
【００４８】
前記実施形態ではＰＷＭインバータ回路５においてリップルの低減を行っていたが、第２実施形態では前記インターリーブ回路３においてリップルの補正を行うように構成してある。
【００４９】
図６に示すように平滑コンデンサを用いずに前記フィルムコンデンサ４に置き換えた場合の直流電圧Ｖｄｃはリップルを持つので、このリップルと反相となるように変調波をインターリーブ回路３の各相に重畳させるようにすればよい。その結果は図７のようになる。
【００５０】
さらに本発明の第３実施形態について説明する。
【００５１】
第１実施形態では、フィルムコンデンサ４を１つのみ設けていたが、第３実施形態では図８に示すようにフィルムコンデンサ４と並列にバランス抵抗４１を接続しておくことにより、前記モータＭが停止又は減速した時に生じる回生エネルギーを消費させるようにしている。このように構成することで、フィルムコンデンサ４の耐圧を超えて電圧が印加されるのを防ぐことができる。
【００５２】
第４実施形態では、直流電圧Ｖｄｃのリップルを低減するための好適な回路配置を有したものである。図９に示すように前記フィルムコンデンサ４を基準として、前記インターリーブ回路３と前記ＰＷＭインバータ回路５とが、略対称に配置されているものが挙げられる。さらにＰＷＭインバータ回路５から出力される電流において直流電圧Ｖｄｃのリップルの影響を少なくすることができる具体的な構成としては、前記インターリーブ回路３が直流電流をＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相に分離するものであり、前記ＰＷＭインバータ回路５がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の電流を出力するものであり、前記フィルムコンデンサ４が前記Ｒ相とＵ相との間、前記Ｓ相とＶ相との間、前記Ｔ相とＶ相との間、のそれぞれに１つずつ設けてある。
【００５３】
その他の実施形態について説明する。
【００５４】
前記各実施形態では、インターリーブ回路を用いていたがその他の昇圧回路であっても構わない。また、フィルムコンデンサではなく、チップコンデンサ等を用いても構わない。要するに、それほど大型とならないコンデンサであればどのようなものであっても構わない。
【００５５】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。
【符号の説明】
【００５６】
１００・・・インバータモジュール
１    ・・・ダイオード整流器
２    ・・・直流リアクトル
３    ・・・インターリーブ回路（昇圧回路）
４    ・・・フィルムコンデンサ
５    ・・・ＰＷＭインバータ回路
６１  ・・・電圧制御部（リップル補正部）
７    ・・・ケーシング
Ｓ    ・・・ＡＣ電源
Ｍ    ・・・モータ
【図１】
2013126259.tif 000003
【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】
2013126259.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013126259.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2013126259.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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