特許 6978899 インバータ装置、電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6978899

(24)【登録日】2021年11月16日

(45)【発行日】2021年12月8日

(54)【発明の名称】インバータ装置、電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20211125BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 F

【請求項の数】7

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-213012(P2017-213012)

(22)【出願日】2017年11月2日

(65)【公開番号】特開2019-88060(P2019-88060A)

(43)【公開日】2019年6月6日

【審査請求日】2020年7月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】水野 博之

【審査官】 宮本 秀一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−１７５４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１５１８７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ７／４２−７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＤＣリンクコンデンサレスのインバータ装置であって、
一対のＤＣリンクと、
前記ＤＣリンクに発生するＤＣリンク電圧を交流に変換し、負荷に供給するインバータと、
前記ＤＣリンク電圧をサンプリングし、前回の電圧値と今回の電圧値の差分から得られる前記ＤＣリンク電圧の変動量に応じて補正されたデューティ比で、前記インバータを制御するインバータコントローラと、
を備えることを特徴とするインバータ装置。

【請求項2】

前回の電圧値をＶ_ＤＣ［−１］、今回の電圧値をＶ_ＤＣ[０]とするとき、前記デューティ比の補償量は、（Ｖ_ＤＣ［０］−Ｖ_ＤＣ［−１］）／Ｖ_ＤＣ［−１］に比例した第１成分を含むことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。

【請求項3】

ＤＣリンク電圧が一定であるとの前提で規定される補償量をＰＷＭｃ、前回の電圧値をＶ_ＤＣ［−１］、今回の電圧値をＶ_ＤＣ[０]、所定の係数をｋとするとき、前記デューティ比の補償量は、
ΔＰＷＭｃ＝ＰＷＭｃ×ｋ×（Ｖ_ＤＣ［０］−Ｖ_ＤＣ［−１］）／Ｖ_ＤＣ［−１］
で表される第１成分を含むことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。

【請求項4】

ＤＣリンクコンデンサレスのインバータ装置であって、
一対のＤＣリンクと、
前記ＤＣリンクに発生するＤＣリンク電圧を交流に変換し、負荷に供給するインバータと、
前記ＤＣリンク電圧の傾きに応じて補正されたデューティ比で、前記インバータを制御するインバータコントローラと、
を備えることを特徴とするインバータ装置。

【請求項5】

前記デューティ比の補償量は、前記ＤＣリンク電圧の前記傾きに比例した第１成分を含むことを特徴とする請求項４に記載のインバータ装置。

【請求項6】

前記ＤＣリンク電圧は、デューティ比の更新周期でサンプリングされることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のインバータ装置。

【請求項7】

三相交流電圧を全波整流した電圧を、前記一対のＤＣリンク間に発生させる整流器と、
請求項１から６のいずれかに記載のインバータ装置と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インバータ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

産業機械、産業車両、工場、電気自動車、発電システムなどに、インバータやコンバータをはじめとする電力変換装置が使用される。図１は、電力変換装置の一例を示す回路図である。

【0003】

電力変換装置１００Ｒは、整流器１０２、ＤＣリンク１０４、平滑コンデンサ１０６、インバータ１０８を備える。整流器１０２は、三相交流電圧ＡＣを受け、それを整流した電圧を、Ｐ極およびＮ極の二本のＤＣリンク１０４ｐ，ｎの間に発生させる。平滑コンデンサ１０６は、二本のＤＣリンク１０４ｐ，ｎの間に接続されており、ＤＣリンク１０４ｐ，ｎの間の電圧（ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣと称する）を平滑化する。インバータ１０８は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを受け、それを交流電圧に変換して、モータなどの負荷２００に供給する。

【0004】

たとえば３相インバータ１０８はＵ，Ｖ，Ｗ相のレグを有し、各レグは、ハイサイドアームとローサイドアームを有する。ハイサイドアームとローサイドアームは、相補的に交互にスイッチングする。スイッチングのデューティ比をｄとするとき、各相の出力電圧Ｖ_Ｕ〜Ｗ）は理想的に式（１）で与えられる。
Ｖ_Ｕ〜Ｗ＝Ｖ_ＤＣ×ｄ …（１）

【0005】

実際には、ハイサイドアームとローサイドアームが同時にオンして貫通電流が流れるのを防止するために、ハイサイドアームとローサイドアームが同時にオフとなるデッドタイムが挿入される。このデッドタイムの影響によって、出力電圧Ｖ_Ｕ〜Ｗは式（１）の理想値からずれることになる。

【0006】

従来では、デッドタイムに起因する出力電圧Ｖ_Ｕ〜Ｗの誤差を補正するために、デューティ比ｄを補償していた。このときの補償量は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを一定とみなして計算されていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平８−２２３９３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ＤＣリンクコンデンサは、寿命の短い大容量の電解コンデンサが用いられることが多い。定期的な交換が難しい用途では、ＤＣリンクコンデンサが省略もしくは低容量化されたＤＣリンクコンデンサレスのインバータが用いられる。ＤＣリンクコンデンサレスインバータでは、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣは直流ではなく、三相全波整流波形となり、時間的に変動する。したがってＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが一定であることを前提とした従来の補償方法では、出力電圧Ｖ_Ｕ〜Ｗの誤差が大きくなってしまう。

【0009】

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、出力電圧の精度が改善されたＤＣリンクコンデンサレスインバータの提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明のある態様は、ＤＣリンクコンデンサレスのインバータ装置に関する。インバータ装置は、一対のＤＣリンクと、ＤＣリンクに発生するＤＣリンク電圧を交流に変換し、負荷に供給するインバータと、ＤＣリンク電圧の変動量に応じて補正されたデューティ比で、インバータを制御するインバータコントローラと、を備える。

【0011】

本発明の別の態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、三相交流電圧を全波整流した電圧を、一対のＤＣリンク間に発生させる整流器と、インバータ装置と、を備えてもよい。

【0012】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、出力電圧の精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】電力変換装置の一例を示す回路図である。

【図2】実施の形態に係る電力変換装置の回路図である。

【図3】インバータコントローラのブロック図である。

【図4】補正量生成部による補償の一例を説明する図である。

【図5】コンベアレーンを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0016】

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0017】

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0018】

図２は、実施の形態に係る電力変換装置１００の回路図である。電力変換装置１００は、整流器１０２およびＤＣリンクコンデンサレスのインバータ装置３００を備える。インバータ装置３００は、一対のＤＣリンク３０２Ｐ，３０２Ｎと、インバータ３１０、インバータコントローラ３２０、ゲートドライバ３３０、上位コントローラ３４０を備える。

【0019】

上位コントローラ３４０は、負荷（たとえばモータ）２００の状態（回転数や速度、位置、トルクなど）が目標値に近づくように、負荷２００に供給すべき電圧Ｖ_Ｕ〜Ｗ、言い換えればスイッチングのデューティ比を指示する制御指令値ＰＷＭ＃を生成する。上位コントローラ３４０は、フィードバックコントローラであってもオープンループコントローラであってもよい。

【0020】

インバータ３１０は、ＤＣリンクの間に発生するＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを交流に変換し、負荷２００に供給する。インバータコントローラ３２０は、上位コントローラ３４０からの制御指令値ＰＷＭ＃に応じたデューティ比を有するパルス信号Ｓ_ＰＷＭを生成する。ゲートドライバ３３０は、パルス信号Ｓ_ＰＷＭに応じてゲート駆動信号を生成し、インバータ３１０のスイッチング素子をＰＷＭ駆動する。

【0021】

インバータコントローラ３２０においては、貫通電流を防止するためのデッドタイムが挿入される。また、このデッドタイムに起因する出力電圧Ｖ_Ｕ〜Ｗの誤差を補償するために、デューティ比を補正する。

【0022】

よりインバータコントローラ３２０は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣを監視し、その変動量ΔＶ_ＤＣに応じてデューティ比ＰＷＭ＃を補正し、補正後のデューティ比ＰＷＭ’で、インバータ３１０を制御する。
ＰＷＭ’＝ＰＷＭ＃＋ＰＷＭｃ’ …（２）
ＰＷＭｃ’は、デューティ比の補正量を表す。

【0023】

図３は、インバータコントローラ３２０のブロック図である。インバータコントローラ３２０は、サンプリング回路３２２、補正量生成部３２４、加算器３２６、パルス幅変調器３２８を含む。なおインバータコントローラ３２０は、ＣＰＵやマイコンなどのソフトウェア制御可能なハードウェアで構成することができ、その場合、補正量生成部３２４、加算器３２６、パルス幅変調器３２８は、ＣＰＵやマイコンなどで実現される機能を示す。あるいはインバータコントローラ３２０は、デジタル回路で構成してもよく、その場合、補正量生成部３２４、加算器３２６、パルス幅変調器３２８がそれぞれ、デジタル回路で構成される。

【0024】

サンプリング回路３２２は、所定のサンプリング周期で、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣをサンプリングする。サンプリング周期は、制御指令値ＰＷＭ＃の更新周期と一致させるとよい。

【0025】

補正量生成部３２４は、出力電流Ｉ_Ｕ〜Ｗの検出値（またはその向き）を表す信号ｉ＃ａ（ただし＃はＵ〜Ｖ）と、サンプリングされた電圧値Ｖ_ＤＣ［０］を受け、それらに応じて補正値ＰＷＭｃを生成する。補正値ＰＷＭｃの符号は、出力電流の向きに応じて変化する。
たとえばある相において、出力電流が負荷２００に流れ込む方向に流れるとき出力電流は正であり、このときの補正値ＰＷＭｃは負であり、デューティ比が減ずる方向に補償される。

【0026】

逆に負荷２００からインバータ３１０に流れ込む方向に流れるとき出力電流は負であり、このときの補正値ＰＷＭｃは正であり、デューティ比が増加する方向に補償される。

【0027】

加算器３２６は、制御指令値ＰＷＭ＃と補正値ＰＷＭｃを加算し、補正後のデューティ指令値ＰＷＭ’を生成する。

【0028】

パルス幅変調器３２８は、デューティ指令値ＰＷＭ’に応じたデューティ比を有するパルス信号Ｓ_ＰＷＭを生成する。なお、ここではパルス信号Ｓ_ＰＷＭを１本の信号線で示すが、実際には、インバータのハイサイドアーム、ローサイドアームの２本の信号線が、３相分存在してもよい。

【0029】

図４は、補正量生成部３２４による補償の一例を説明する図である。補正量生成部３２４には、所定のサンプリングレートで、現在のＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの検出値Ｖ_ＤＣ［０］が入力される。補正量生成部３２４は、前回の電圧値Ｖ_ＤＣ［−１］と今回の電圧値Ｖ_ＤＣ［０］の差分である変動量ΔＶ_ＤＣ＝（Ｖ_ＤＣ［−１］−Ｖ_ＤＣ［０］）に応じてデューティ比を補正値ＰＷＭｃを生成する。サンプリング周期は一定であるから、この変動量ΔＶ_ＤＣは、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの傾きを表しているといえ、デューティ比の補正量ＰＷＭｃ’は、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの傾きに比例した第１成分ΔＰＷＭｃと、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの変動量に依存しない第２成分ＰＷＭｃとを含んでいるといえる。
ＰＷＭｃ’＝ＰＷＭｃ＋ΔＰＷＭｃ …（３）

【0030】

第２成分ＰＷＭｃは、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣが一定であるとの前提で規定される補償量に相当する。

【0031】

これに対して第１成分ΔＰＷＭｃは、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの変動量に比例する。
ΔＰＷＭｃ＝ＰＷＭｃ×ｋ×ΔＶ_ＤＣ／Ｖ_ＤＣ［−１］
＝ＰＷＭｃ×ｋ×（Ｖ_ＤＣ［０］−Ｖ_ＤＣ［−１］）／Ｖ_ＤＣ［−１］ …（４）

【0032】

ΔＶ_ＤＣ／Ｖ_ＤＣ［−１］は、前回の電圧値を基準とした変動率である。たとえばｋ＝０．５とすることができる。

【0033】

式（３）、（４）をまとめると、補正量は、式（５）で表される。
ＰＷＭｃ’＝ＰＷＭｃ×（１＋ｋ・ΔＶ_ＤＣ／Ｖ_ＤＣ［−１］） …（５）

【0034】

実施の形態に係るインバータ装置３００によれば、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣの変動を考慮したデューティ比の補正が可能となり、出力電圧Ｖ_ＯＵＴの誤差を低減し、精度を高めることができる。

【0035】

続いてインバータ装置３００の用途を説明する。図５は、コンベアレーンを示す図である。コンベアレーン４００は、工場や空港などに設置され、製品や荷物を運搬する。コンベアレーン４００は、複数のユニット４０２を連結して構成される。各ユニット４０２には、ベルトを駆動するためのモータ４０４が設けられ、結果として複数のモータ４０４は、空間的に分散して配置される。

【0036】

複数のモータ４０４を駆動する複数のインバータ４０６を、一点破線で示すように１箇所（制御盤４０５）に集中配置すると、インバータ４０６とモータ４０４の間のパワーライン４０８の配線長が長くなるため、損失が大きくなる。また、レイアウトの変更にパワーラインの敷き直しが伴うため、一旦レイアウトを決定したあとの変更が困難となる。

【0037】

そこで、図５のコンベアレーン４００では、インバータおよび整流器を含む電力変換装置４１０が、ユニット４０２側に設けられ、電力変換装置４１０に個別に交流電力が供給されるようになっている。

【0038】

一点鎖線で示すようにインバータ４０６を含む電力変換装置を制御盤４０５に集中配置する場合、サイズの制約が少ないことから、電力変換装置の部品点数は多くても問題とならないかもしれない。また集中配置のレイアウトでは、メンテナンスの労力は相対的に少ないから、寿命の短い部品を採用した場合であっても、定期的に交換するなどの対策をとることができる。ただし集中レイアウトでは、制御盤４０５を設置する専用スペースが必要となるというデメリットもある。

【0039】

これに対して図５に実線で示すように、電力変換装置４１０をユニット４０２に内蔵して分散配置する場合、電力変換装置４１０には小型化が要求され、したがって部品点数の減少が求められる。また、複数の電力変換装置４１０が分散配置されると、メンテナンスの労力が相対的に増すため、寿命の短い部品の採用は避けるべきである。

【0040】

また集中配置では制御盤の設置箇所として、比較的良い環境を選択する余地があるが、分散配置では、各ユニット４０２を悪環境化に設置せざるを得ない場合があり、ユニット４０２に密閉構造が要求される場合がある。この場合、ユニット４０２の筐体内の温度が上がりやすいため、部品寿命（特にコンデンサ）が短くなりやい。

【0041】

実施の形態に係る電力変換装置１００は、分散型レイアウトを採用したシステムにおける電力変換装置４１０として好適に利用することができる。具体的には、電力変換装置１００には平滑用のＤＣリンクコンデンサが不要である（あるいは小容量化できる）ため、サイズを小さくでき、ユニット４０２に設けることが容易となる。

【0042】

加えて、ＤＣリンクコンデンサには、寿命の短い電解コンデンサが用いられるところ、実施の形態に係る電力変換装置１００では、電解コンデンサが不要となるため、定期的な交換作業が不要となり、メンテナンスの労力を減らすことができる。

【0043】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

【0044】

（第１変形例）
インバータコントローラ３２０は、出力電圧Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗを検出し、電圧指令値と一致するようにフィードバックによってデューティ比を調節してもよい。この場合においても、ＤＣリンク電圧Ｖ_ＤＣにもとづくデューティ比の補正をかけることにより、出力電圧の誤差を低減できる。

【0045】

（第２変形例）
ＤＣリンクコンデンサは、完全にゼロである必要は無く、少ない容量のＤＣリンクコンデンサが設けられるインバータにも本発明は適用可能である。したがって、ＤＣリンクコンデンサレスとは、ＤＣリンクコンデンサがゼロの場合のみでなく、小さいＤＣリンクコンデンサが設けられるインバータも含みうる。

【0046】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0047】

１００ 電力変換装置
１０２ 整流器
１０４ ＤＣリンクバス
１０６ 平滑コンデンサ
１０８ インバータ
２００ 負荷
３００ インバータ装置
３０２ ＤＣリンク
３１０ インバータ
３２０ インバータコントローラ
３２２ サンプリング回路
３２４ 補正量生成部
３２６ 加算器
３２８ パルス幅変調器
３３０ ゲートドライバ
３４０ 上位コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】